JACS：通過金屬納米粒子標記透明組織實現其三維成像

【引言】

化學探針是生物成像工具箱中至關重要的組成部分，因為它們可以用來標記細胞和組織中的生物分子。而生物成像領域中的新挑戰則是設計用于三維組織成像的化學探針。研究發現，在完好無損的組織中，金屬納米粒子的光散射可以為人們提供三維成像的對比情況；其次，納米粒子可以作為用于金屬層化學生長的模板，從而進一步提高散射信號。在此基礎上，研究人員提出了一種通過金屬納米粒子標記透明組織實現其三維成像的新策略。

【成果簡介】

近日，來自加拿大多倫多大學的Warren C. W. Chan等人在JACS上發表了一篇題為“Three-Dimensional Imaging of Transparent Tissues via MetalNanoparticle Labeling”的文章。文章中詳細介紹了一種新型金屬納米探針，這種基于納米粒子的探針可以克服小分子有機分子和熒光蛋白質所固有的許多限制，因為它們具有較大的消光系數。研究人員發現基于納米顆粒的散射造影劑可以作為熒光的替代品，用于檢測完整透明組織中的低豐度目標。另外，通過化學還原金或銀到納米顆粒上可以增加納米顆粒的散射以放大信號并允許對特定組織結構進行超敏感檢測。

【圖文導讀】

圖1 金屬納米顆粒的散射為完整組織的3D成像提供了對比

a）在模型組織（1mm小鼠肝切片）中，光通過脂質?水界面散射并限制其穿透深度；

b）用組織透明技術使完整的組織透明化并抑制固有散射，使光線穿透組織；

c，d）具有不同直徑的一系列AuNPs（金納米粒子）的表面和反式照明的照片；

e）直徑3-100nm的金納米粒子的合成實例。

圖2 使用3D暗視野顯微鏡在小鼠腸和腎組織中顯示金納米顆粒（AuNP）散射信號

a）含有50nm AuNPs的腸組織3D圖像的表面圖，顯示絨毛的形態；

b）（a）圖像的較小部分；

c）腸組織相同區域的3D最大強度投影（MIP）顯示血管的排列和AuNPs的分布；

d）（e）中2D部分的位置顯示單個絨毛內AuNPs的分布；

f，g）腎臟組織內血管和AuNPs的3D最大強度投影，腎小球明亮可見；

h）（i）和（j）中2D部分的位置可顯示AuNPs在腎小球內和其周圍的分布。

圖3 納米顆粒的散射信號可在整個組織中擴增百萬倍

a，b）50nm銀和金納米顆粒（分別為AgNP和AuNPs）的摩爾消光系數比典型發色團和熒光團的摩爾消光系數高出一個數量級，而散射光子產量（S.Y.）與熒光量子產率相似；

c）與普通熒光團的信號相比，AuNPs的散射信號不能夠光漂白；

d）當在小鼠肝臟中使用雙重血管標記策略時，AuNPs在此期間散射強度沒有顯示任何變化，此時由于光漂白，Alexa Fluor 555信號減弱；

e）散射信號可以進一步放大；

f）Mie理論預測直徑從10到100 nm的AuNPs的散射系數；

g）具有不同濃度的13nm AuNPs或50nm SiNP的肝組織顯示所得到的AuNPs的尺寸是可控的；

h，i）透射電鏡圖像展示了放大后AuNPs的尺寸和形態。

圖4 基于多巴胺的金沉積策略

a）用多巴胺修飾的在 AuCl₄^-溶液中的100 nm的聚苯乙烯珠；

b）這種策略在其他材料上產生了類似的結果，例如二氧化硅和PLGA納米顆粒，浸泡于Au（III）溶液后出現紅色（二氧化硅）和紫色（PLGA）顏色；

c）通過掃描電子顯微鏡和金納米粒子上的金和碳的能量色散X射線光譜（EDX）分析，證實了金納米粒子的沉積。

圖5 使用納米粒子散射劑對血管進行映射的小鼠腎臟的分子標記

a）用GSL-1對AuNP進行表面改性；

b）凝膠遷移率變化的測定證實了表面改性；

c）取自小鼠腎組織3D圖像的二維照片；

d）曼德系數作為深度的函數顯示AuNP-GSL1始終與自由熒光標記的分子共定位。

圖6 金粒子的原位沉積能夠檢測低積累的AuNPs

a）在原始組織中無法檢測到15nm AuNPs積累和弱散射產量；

b）在同一天使用相同的成像條件收集的兩個三維圖像。

圖7 實驗性自身免疫性腦脊髓炎（EAE）模型的多光譜結構分析

a）免疫15天后從實驗小鼠中提取脊髓，將其固定，清除，并使用銀沉積染色病變組織；

b）脊髓病變部位的二維虛擬切片，可視為銀染色圖像中的暗區，手工分割以產生病變的二值圖像；

c）在DAPI，GSL1和病變通道中顯示的整個脊髓的橫向和矢狀部分；

d）3.6 mm脊髓長度的三維最大強度投影顯示出整個脊髓的血管、細胞浸潤和病變組織的相對排列；

e，f）未免疫小鼠的橫向和鋸齒狀切片顯示核的正常分布和擴張血管的較低豐度；

g）三種小鼠的終點臨床評分、細胞浸潤濃度和病變程度。

【小結】

使組織光學透明的基本原理是通過去除光散射成分并使剩余組織中的折射率相匹配從而減少組織的固有散射。這樣可以使光線深入組織，即能夠得到完整組織的3D顯微鏡照片。在此基礎上所開發的通過金屬納米粒子標記透明組織實現其三維成像的方法將會在臨床醫療診斷中大顯身手。

文獻鏈接：Three-Dimensional Imaging of Transparent Tissues via Metal?Nanoparticle Labeling（JACS，2017，DOI: 10.1021/jacs.7b04022）

該文獻匯總由材料人生物材料組昝菲編譯，材料牛編輯整理。

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