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近红外二区小动物活体成像 —— 呼吸速率监控

发布日期:2021/7/5 15:13:54

在疾病治疗领域,准确精良的生物医学成像工具能够帮助医生确定正确的预后(预测的疾病发展情况)和治疗方法。光学成像方法因其多维可视性、非侵入性等特点,已被开发出多种设备,广泛应用于生物分子检测成像、药物分布代谢跟踪以及上文提到的疾病检测和治疗领域。但目前应用的多种光学成像方法往往因分辨率不高或组织穿透性差而被限制应用。例如,X光具有较佳的组织穿透性,但其分辨率不高,也无法实时检测。


在此背景下,科研工作者开始将目光转向近红外波段(700 - 1700 nm),尤其是近红外二区波段(NIR-II, 1000 - 1700 nm)的荧光成像。在该波段范围内,光在具有较高的穿透深度(5 - 20 mm)的同时保证了足够的分辨率。


根据文献介绍,在此之前设计出的NIR-II染料一般为疏水有机分子,因而在实际应用中限制较多;另外也有少量水溶性小分子的报道,但其激发波长多位于近红外一区,这将影响该粒子成像的组织穿透深度。所以在文献中,作者设计了七个次甲基结构(Heptamethine structure,一种常见的近红外荧光染料结构,在生物医学领域被广泛使用)的荧光染料FD-1080,使得该染料的吸收和发射波长均落在近红外二区。同时,得益于磺酸基和环己烯基团,该染料的水溶性和稳定性分别得到了提高。




图1:a) FD-1080的合成路径; b) FD-1080的激发与发射图谱; c) 现有的NIR-II染料激发波长示意图; d) FD-1080与ICG(吲哚菁绿)分别在1064 nm和808 nm(0.33 W·cm-2)波长下的光稳定性


尽管FD-1080单独的量子产率只有0.31%,但通过与胎牛血清(Fetal bovine serum, FBS)结合,可以显著增加到5.94%。


除了以上的性质,得益于其吸收和发射波长范围所在的近红外二区性质,该染料具有了与常规近红外激发波段(650 nm – 980 nm)染料相比更高分辨率以及更深组织穿透深度。基于该特性,作者在该文献中尝试用FD-1080进行了小动物下肢血管、脑部血管的成像。


图2:FD-1080在不同激发波长下的小鼠后肢血管成像效果(1300 nm长通滤光片)





图3:FD-1080在不同激发波长下的小鼠脑部血管成像效果(1300 nm长通滤光片)



同时,作者也通过对小鼠肝脏位置因呼吸肺部挤压造成的规律性移动,对活体呼吸速率进行准确的监控和测试。



图4:a) 小鼠清醒时(左)与麻醉后(右)的肝脏成像及b) 相应的呼吸速率



参考文献:

[1] Zhang F, Li B, Lu L, et al. Efficient 1064-nm NIR-II Excitation Fluorescent Molecular Dye for Deep-tissue High-resolution Dynamic Bioimaging[J]. Angewandte Chemie, 2018, 57(25), 7483-7487.




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