湖南師范大學曾松軍&香港理工郝建華ACS Nano：近紅外二區(NIR-II)發射增強的鑭系納米探針在微小轉移瘤檢測及腫瘤血管成像中的應用

【引言】

光學成像技術以其高靈敏度和高時空分辨率等優點，為微小腫瘤/轉移瘤及腫瘤相關血管的檢測和研究提供了一種新的無創檢測成像手段，在生物醫學和臨床診斷中發揮著重要作用。但是，傳統的光學成像技術利用可見光和近紅外一區?(NIR-I，700-900 nm)的光學成像窗口，存在著較大的光散射損失、組織穿透深度淺等內在缺陷，從而導致成像質量和空間分辨率降低。相對于NIR-I區成像，新一代的近紅外二區光學成像（NIR-II，1000-1700 nm）在成像靈敏度、穿透深度和空間分辨率方面有著顯著提高。因此，開發新型的高靈敏度的NIR-II區光發射探針，對實現腫瘤高靈敏的早期診斷及腫瘤血管的高質量成像將具有重要意義。

【成果簡介】

近日，湖南師范大學曾松軍教授和香港理工大學郝建華教授（共同通訊作者）課題組設計了一種基于鑭系摻雜的高質量稀土近紅外二區光學探針，通過Ce³⁺離子濃度摻雜等策略，提高了該納米探針的NIR-II (1525 nm) 區發射強度和量子效率。將其應用于NIR-II光學引導的高質量、高分辨率的腫瘤血管成像，揭示了腫瘤周圍血管的分布。而且，進一步實現了NIR-II光學引導的微小轉移瘤(~ 3 mm)的檢測，這對實現腫瘤的高靈敏性早期診斷邁出了重要一步。該成果以題為“Non-Invasive Optical Guided Tumor Metastasis/Vessel Imaging by Using Lanthanide Nanoprobe with Enhanced Down-Shifting Emission beyond 1500 nm”發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖1.?NIR-II區光發射增強的稀土基納米探針的制備和生物成像應用示意圖

圖2.?稀土納米探針的結構表征

（a）NaLnF₄（Ln=Lu，Yb，Y）稀土納米棒的合成示意圖；

（b-d,f）不同濃度Ce離子摻雜的NaLuF₄納米棒透射電鏡圖；

（e）單個納米棒的高分辨率透射電鏡圖；

（g-h）5%Ce摻雜的NaYbF₄和NaYF₄納米棒透射電鏡圖；

（i）NaLuF₄納米棒X射線衍射圖譜。

圖3.?稀土納米探針光學性質

（a）NIR-II發射增強機理示意圖；

（b）不同Ce³⁺離子濃度摻雜的NaLuF₄納米棒體外成像圖；

（c）簡化的能級圖；

（d）不同Ce³⁺離子濃度摻雜的NaLuF₄納米棒上轉換和NIR-II發射強度變化趨勢圖；

（e）不同Ce³⁺離子濃度摻雜的NaLuF₄納米棒上轉換和NIR-II發射光譜；

（f）5%Ce³⁺摻雜的NaLnF₄（Ln=Lu，Yb，Y）體系的NIR-II發射光譜；

（g）和（h）5%Ce³⁺摻雜的NaLnF₄（Ln=Lu，Yb，Y）NIR-II發射強度對比和體外成像圖。

圖4.?NIR-II光學成像引導的微小腫瘤檢測

（a）NIR-II光學成像引導的小鼠微小腫瘤檢測示意圖；

（b）靜脈注射后，腫瘤小鼠不同時間點NIR-II光學成像；

（c）腫瘤小鼠NIR-II光學成像圖及數碼照；

（d）腫瘤小鼠離體器官數碼照及其離體NIR-II光學成像。

圖5.?NIR-II光學成像指導的微小轉移瘤探測

（a）NIR-II光學成像引導的微小轉移瘤檢測；

（b）腫瘤小鼠轉移瘤解剖數碼照；

（c）轉移瘤離體數碼照和對應的離體NIR-II光學成像圖。

圖6.?腫瘤血管的NIR-II區高分辨光學成像

（a）NIR-II光學引導的腫瘤血管成像示意圖；

（b）小鼠腫瘤的明場和數碼照；

（c）腫瘤血管的高分辨NIR-II光學成像；

（d,e）腫瘤血管圖和對應的血管截面熒光強度分布。

?【結論與展望】

本文報道了一種NIR-II區光發射增強的、高生物相容性的稀土基發光納米材料，采用非侵入近紅外二區光學成像的方法，成功實現了微小腫瘤/轉移瘤的高靈敏性光學檢測和腫瘤血管的高空間分辨成像。該研究進一步拓展了稀土基納米探針在近紅外二區生物成像中的應用，為早期腫瘤的高靈敏性診斷提供了高性能近紅外二區光學探針。

文獻鏈接：Youbin Li, Songjun Zeng, and Jianhua Hao, Non-Invasive Optical Guided Tumor Metastasis/Vessel Imaging by Using Lanthanide Nanoprobe with Enhanced Down-Shifting Emission beyond 1500 nm?(ACS Nano, 2019, DOI:?10.1021/acsnano.8b05431).

本文由湖南師范大學曾松軍教授和香港理工大學郝建華教授團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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