劉斌 Adv. Mater. 綜述: “近紅外-II”光學成像的最新進展

【引言】

生物成像能夠高度清晰的對各種生理和病理過程進行實時監測并使各種生物實體可視化，因此對于生命科學和醫學領域的發展是至關重要的。多年以來，生物成像在成像性能和不同功能的成像技術上都取得很大進展，利用某些生物分子和分子標志物來闡明各種疾病背后的各種復雜的分子和入胞機制，使得研究人員和臨床醫生能夠更深入地了解生命系統。同時，因為它可以進行更精確和有效的疾病診斷，從而改善患者的治療效果，所以生物成像對于臨床前研究和臨床應用也很重要。而近紅外就是目前最實用的一種。其中，“近紅外-II”波長在1000~1700 nm比可見光區（400~700 nm）以及“近紅外-I”（700~900 nm）存在著更高的空間分辨率、更深的穿透生物基質的深度、較低的光學吸收和散射和具有最小的組織自發熒光現象。目前，利用NIR-II熒光和光聲（PA）成像的無創成像技術，就體現了NIR-II光學成像的巨大吸引力。因此，NIR-II生物成像由于其在臨床前研究和臨床實用方面的巨大潛力而得到越來越多的探索。

【成果簡介】

近日，Adv. Mater. 在線刊登了新加坡國立大學的劉斌教授（通訊作者）等人總結的題為“Recent Advances of Optical Imaging in the Second Near-Infrared Window”綜述，報道了NIR-II光學成像的進展。文中從三個方面講述了NIR-II：首先強調NIR-II光譜區在生物成像中的重要性，然后討論各種NIR-II光譜區熒光成像和PA成像探針及其應用的出現和最新發展，最后給出了NIR-II光譜區生物成像的前景和所面臨的挑戰。

【圖文導讀】

1、近紅外-II (NIR-II)

生物化合物和組織（如血液、脂肪和皮膚）都能特定地吸收和散射不同程度的任何入射光。因此，光學成像必須在特定的電磁光譜區域中工作且需要光衰減最小，以改善成像對比度和靈敏度以及減少背景噪聲。由于NIR-I光譜區存在有限的組織穿透深度、大量的組織自發熒光和明顯的背景噪聲缺點，所以NIR-I仍然不是最佳選擇。通過第一次使用生物相容性的單壁碳納米管(SWCNTs)在950~1400 nm之間發射的高靈敏度體內血管的NIR-II生物成像后，引發了其他領域的NIR-II熒光探針的發展，如半導體量子點、等離子體納米粒子、有機半導體聚合物和小分子，用于各種生物成像（體外活細胞成像、體內血液循環跟蹤、脈管系統成像、腦損傷檢測和腫瘤檢測）。總之，雖然NIR-II生物成像對于臨床前應用非常有前景，但是其全部潛力只能在高效NIR-II造影劑和高靈敏度、快速光電探測器的同時存在下實現。
Figure 1. 生物組織和光電探測器在200~1800 nm范圍內的光學特性。 a)光學波長在各種生物實體的衰減，例如含氧和脫氧的全血、皮膚和脂肪（NIR-I，700~900 nm，粉紅色陰影；NIR-II，1000~1700 nm，灰色陰影）；b)不同類型的光電探測器的量子效率。基于硅（Si），銦鎵砷（InGaAs）和碲化汞鎘（HgCdTe）的光電探測器作為波長的函數。

2、NIR-II熒光成像

熒光成像能夠提供出色的空間和時間分辨率，還具有快速的采集時間、需要較少的復雜儀器的操作和無創無害的優點。因此，傳統的NIR-I熒光成像已廣泛于各種臨床應用，例如熒光素血管造影、脈管系統成像和癌癥監測。然而，NIR-II展示其在生物成像上的獨特優勢，例如高選擇性活細胞成像、腦血管系統和深部腦腫瘤的高分辨率穿頭顱成像以及對血流的實時超快速監測。研究人員致力于開發高發射性和生物相容性的無機和有機NIR-II熒光材料，其具有明亮的熒光和超過1000 nm的發射最大值。

2.1、無機納米材料的NIR-II熒光成像

2.1.1、單壁碳納米管（SWCNTs）的NIR-II成像
Figure 2. 單壁碳納米管(SWCNTs)的NIR-II熒光成像。
a）具有水溶性接有PEG的SWCNT復合物的示意圖；b）在808nm激光激發下SWNT-IRDye800復合物的發射光譜；c）由高放大物鏡拍攝的子區域的放大的腦血管圖像，具有0.80 mm×0.64 mm的視野。插圖：沿著虛線黃色條的橫截面強度曲線（黑色）和高斯擬合曲線（紅色）； d）在NIR-1、NIR-II和NIR-II b區域中沒有開顱的熒光小鼠腦血管圖像。

2.1.2、金屬硫化物、寬帶隙半導體和稀土納米粒子的NIR-II熒光成像
Figure 3. 無機納米材料的NIR-II熒光成像。
a）小鼠模型中腫瘤誘導的血管生成的實時圖像。在4T1腫瘤移植后不同天數尾靜脈注射PEG化Ag₂S 量子點后30分鐘后熒光圖像。紅色箭頭指向腫瘤誘導的血管生成，如NIR-II PEG化Ag₂S 量子點所示，而白色箭頭指向4T1腫瘤； b）白蛋白納米籠中應用Ag2S量子點用于多峰NIR-II熒光/ PA成像和光熱療法的示意圖； c）Ald / DOX @ Ag₂S納米顆粒的結構和組成的示意圖； d）Ald / DOX @ Ag₂S納米顆粒在各種骨組織（包括脊柱、腿骨和尾巴）中的NIR-II熒光圖像；e）NIR-II熒光下轉換納米顆粒（DCNP）負載的中孔微載體，即SiO₂ -Nd₂SiO₂ @ mSiO₂-NH₂ @ SSPI的示意圖；f）載有蛋白質-NPTAT復合物的微載體在730 nm或808 nm激發下在不同時間對小鼠進行NIR-II熒光成像。

2.2、有機納米材料的NIR-II熒光成像

2.2.1、共軛聚合物的NIR-II熒光成像
Figure 4. 共軛聚合物的NIR-II熒光成像。
a）pDA聚合物的合成路線；b）pDA-PEG納米顆粒的吸光度、熒光吸收和發射最大值分別為654和1047nm；c）各種pDA聚合物的化學結構；d、e）不同pDA聚合物的吸光度和熒光，表明pDA聚合物通過其化學結構的改性的光學性質的可調性；f）靜脈內注射的pDA-PEG納米顆粒隨時間推移小鼠后肢股動脈血流的NIR-II熒光成像。 血流前方用紅色箭頭表示。

2.1.2、有機小分子的NIR-II熒光成像
Figure 5. 有機小分子的NIR-II熒光成像。
a）CH1055及其衍生物（即CH1055-PEG和CH-4T）的化學結構，以及基于DMSO中的EDC/NHS偶聯和DMSO中HBTU/DIPEA偶聯產生CH1055-PEG和CH-4T的合成途徑；b）CH1055-PEG的吸收和發射光譜；c）CH1055-PEG隨時間的體內血液循環和尿液排泄的特征，表明其快速從體內清除；d）各種NIR-II造影劑的光學照片，即單壁碳納米管（SWCNT）、CH-PEG和不同處理的CH-4T以及它們各自的NIR-II熒光圖像；e）在將ICG和CH-4T/HSA-HT順序注射到其足墊中之后，小鼠的深淋巴結的NIR-1和NIR-II熒光圖像（如白色箭頭所示）。

2.1.3、聚集誘導發光（AIEgens）的NIR-II熒光成像
Figure 6. 具有選擇性靶向有機小分子和超亮的NIR-II熒光成像。
a）小分子NIR-II染料CH1000的化學結構；b）EGFR affibody固定的CH1000納米顆粒即Affibody-DAP的示意圖；c）使用affibody-DAP和隨時間阻斷的甲狀腺腫瘤的靶向體內NIR-II熒光成像的信號強度的變化； d）具有聚集誘導發射（AIE）特征的TB1的化學結構； e）TB1點的UV-vis吸光度和熒光光譜； 插圖顯示在溶液（左）和粉末（右）形成的TB1的熒光圖像； f）在不同時間點使用TB1-RGD點（頂部）和TB1點（底部）對原位腦腫瘤進行靶向NIR-II熒光成像。

3、NIR-II光聲成像

PA成像（光聲成像）是一種將光激發與超聲波檢測相結合的混合生物成像模式。因為它能夠克服光學漫射閾值以及傳統光學成像有限的成像和穿透深度，所以是一種最有前景的替代傳統光學成像的方案。PA成像是依賴于在吸收激發光之后檢測由成像的生物目標產生的聲波，具有很強的光學吸收靈敏度（比光學相干斷層掃描和共聚焦顯微鏡高約100倍），因此與光信號相比，在生物組織內超聲波的散射大大減少（≈1000倍以下）。由于PA成像可以實現深達幾厘米的穿透深度，并產生具有顯著增強的空間分辨率和豐富對比度的圖像，故而無創PA成像具有巨大的臨床前研究和臨床應用潛力。

Figure 7. 半導體聚合物的NIR-II PA(光聲)成像。
a）SP2的化學結構； b）通過納米沉淀技術制備的具有NIR-1和NIR-II PA成像能力的SP2納米顆粒（SPN-II）；c）靜脈內注射SPN-II后70分鐘，在750 nm（左）和1064 nm（右）進行大鼠皮質的體內PA成像；d）P1的化學結構；e）制備的P1納米顆粒在不同波長下的PA強度；f）在施用P1納米顆粒后的不同時間點的原位腦腫瘤的體內NIR-II PA成像。通過灰色超聲圖像指示顱骨邊緣，而PA圖像中的綠色信號顯示納米顆粒分布，表明距離顱骨3.4 mm處存在腦腫瘤。
Figure 8. 半導體聚合物用于厘米深度NIR-II PA(光聲)成像。
a）噻吩并靛藍-三甘醇（TII-TEG）的化學結構；b）跨越不同波長的基于TII的半導體聚合物納米顆粒（TSPN）、血紅蛋白（Hb）、水（H₂O）和脂質（由橄欖油表示）的PA強度；c）TSPN的信噪比（SNR）與從1064 nm處的激光激發照射的組織表面的深度的函數關系；d）在不存在（頂部）和存在（底部）不同波長的TSPN的情況下，小鼠腫瘤（點狀白色圓圈）的體內PA成像。

4、總結與展望

通過對生物成像的最新進展的調研，已經證明NIR-II光譜區域已經是最有希望替代可見光和NIR-I光譜區域。NIR-II在生物組織中具有較低的消光系數，導致生物實體與較長波長光子之間的相互作用大大減少，減小了光學吸收、散射和組織自發熒光。這極大地推動了各種具有NIR-II吸收和發射能夠在超過1000 nm的較長波長發射PA或熒光信號外源造影劑的設計和開發用于NIR-II生物成像。越來越多的概念驗證研究已經探索了它們的生物成像應用，并獲得了比目前成熟使用的NIR-I更深的滲透深度，更好的對比度和分辨率，這使得NIR-II生物成像在臨床前成像研究和臨床應用方面具有巨大的潛力。但是NIR-II生物成像技術目前仍處于起步階段，與大多數新發現或開發的成像技術類似，NIR-II生物成像存在許多挑戰。主要涉及如下：（1）設計和/或選擇核心材料和功能組/識別元素以形成外源NIR-II探針；（2）優化其光物理特性以匹配可用的成像系統；（3）評估其生物相容性，藥代動力學和毒性；（4）NIR II光學光電探測器和成像系統的開發和優化。總之， NIR-II生物成像將如何廣泛用于補充甚至替代當前的生物成像技術，以滿足當前生命科學和醫學研究的要求是還有待觀察。 但是，相信隨著NIR-II生物成像技術的不斷進步以及NIR-II成像系統的成本逐步降低，這種成像技術將被廣泛采用。

文獻鏈接：Recent Advances of Optical Imaging in the Second Near-Infrared Window（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201802394）

本文由材料人生物材料組小胖紙編譯。

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