熒光（Fluorescent）是自然界的一種常見發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)熒光物質(zhì)受到激發(fā)光照射時，內(nèi)部的分子或原子吸收光子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，隨后發(fā)出波長更長的出射光，這種出射光就是熒光。上世紀(jì)90年代中期，斯坦福大學(xué)的Chris，Pamela Contage和Beneron三位科學(xué)家利用高靈敏度的CCD相機追蹤到了活體小鼠體內(nèi)的光學(xué)信號，拉開了小動物活體熒光成像研究的序幕。

 

近些年來，近紅外（波長：700-1700 nm）熒光成像憑借組織穿透深、成像速度快、副作用小等優(yōu)點引起了科研人們的極大興趣。一般地，近紅外區(qū)域分為兩類，近紅外第一窗口（NIR-I，波長：700-900 nm）和近紅外第二窗口（NIR-II，波長：1000-1700 nm）。目前為止，大多數(shù)熒光成像研究都是在NIR-I窗口內(nèi)進(jìn)行的。相較于NIR-II窗口，活體組織對位于NIR-I窗口內(nèi)的激光有更強烈的散射和吸收，這使得NIR-I窗口內(nèi)的成像質(zhì)量較差。而活體組織對NIR-II窗口的激光的散射和吸收都比較低，且活體組織在此波長范圍內(nèi)的自發(fā)熒光較少，這使得NIR-II成像有著更高的空間分辨率和穿透深度。近年來，NIR-II熒光成像已成為活體成像的研究熱點（圖1）。

 

圖1：NIR-II窗口比NIR-I窗口有更弱的組織自發(fā)熒光、散射和吸收

 

現(xiàn)有的NIR-II熒光基團大多都是無機納米粒子，無機納米粒子的長期毒性和較慢的代謝速率一直是困擾科學(xué)界的一大難題。另外，由于合成條件的限制，現(xiàn)有的無機材料造影劑必須封裝在聚合物基質(zhì)中，這大大的增加了熒光基團的尺寸，超過了腎臟的過濾閾值。為解決上述難題，2015年武漢大學(xué)洪學(xué)傳教授與美國斯坦福大學(xué)程震教授、戴宏杰教授合作，共同在國際頂級期刊《NatureMaterials》上發(fā)表了題為“Asmall-molecule dye for NIR-II imaging”的文章，報導(dǎo)了他們的研究成果。


 

圖2：CH1055-PEG的表征；（a）合成示意圖；（b）光致發(fā)光光譜；（c）吸收和熒光發(fā)射光譜；（d）光學(xué)穩(wěn)定性；（e）CH1055-PEG和IR-26的熒光光譜曲線

 

該工作合成了一種水溶性良好、可生物代謝的小分子染料：CH1055-PEG。研究表明， CH1055-PEG有較好的光穩(wěn)定性，量子效率（QuantumYield）為0.3%。與SWCNTs相比，CH1055-PEG有較高的成像分辨率，經(jīng)注射后，小鼠膀胱內(nèi)CH1055-PEG含量快速上升，這說明該熒光染料可以被迅速代謝掉，而SWCNTs則逐漸在小鼠肝臟聚集（圖3）。



 

圖3：藥代動力學(xué)圖像；（a）CH1055-PEG和（b）SWCNTs的近紅外二區(qū)圖像；（c）CH1055-PEG和（d）SWCNTs的熒光強度曲線；（e）尿液中的累計濃度和血液濃度曲線
 

為了突出NIR-II熒光成像的優(yōu)勢，作者用CH1055-PEG作為NIR-II熒光染料與ICG（吲哚箐綠）作為NIR-I熒光染料做了對比。盡管ICG的量子產(chǎn)率較高，但CH1055-PEG的信噪比更高，這會使得圖像的清晰度更高（圖4）



 

圖4：（a）注射CH1055-PEG和ICG后，小鼠腹股溝淋巴結(jié)熒光強度和自身組織背景噪音；（b）CH1055-PEG和ICG的信噪比

 

作者通過手術(shù)將U87MG細(xì)胞移植到小鼠左腦4mm深處。當(dāng)腫瘤尺寸達(dá)到2-3 mm時，靜脈注射CH1055-PEG進(jìn)行NIR-II熒光成像。注射6 h后，腫瘤清晰可見，T/NT為3.2（1200 LP,400 ms），24 h后，T/NT約為4.25，72 h后，T/NT最終的達(dá)到5.50（1300LP，1s）。為更進(jìn)一步說明NIR-II成像有更高的分辨率，在C57BL/6小鼠的頭皮和皮膚均完好的情況下，利用ICG和CH1055-PEG分別對其進(jìn)行腦血管熒光成像。可以看出NIR-II熒光成像的清晰度要明顯優(yōu)于NIR-I窗口。（圖5）

 

圖5： CH1055-PEG和ICG對小鼠腦部血管近紅外成像圖
 

   作者將實驗對象推廣到體型更大的大鼠。由圖6看出，NIR-II熒光成像比NIR-I熒光成像有更高的分辨率，利用CH1055-PEG作為熒光染色劑對大鼠的腦部以及后肢在NIR-II進(jìn)行熒光成像，可使得大鼠腦部和后肢的血管清晰可見（而ICG作為NIR-I窗口的熒光染料則無法使大鼠血管清晰可見）。

 

圖6：利用CH1055-PEG和ICG對大鼠腦部和后肢進(jìn)行活體近紅外熒光成像
 

就血管成像和淋巴管成像的空間分辨率和成像深度而言，這是NIR-II熒光基團shouci超過FDA批準(zhǔn)的NIR-I熒光基團。CH1055-PEG可以在前哨淋巴結(jié)精確定位，為NIR-II成像技術(shù)提供了幫助。皮下注射CH1055-PEG后，前哨淋巴結(jié)和之前未發(fā)現(xiàn)的腫瘤一起被高保真的顯現(xiàn)出來。隨著NIR-II成像技術(shù)在學(xué)術(shù)和臨床領(lǐng)域的不斷擴展，對 CH1055-PEG的藥代動力學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步研究是十分有必要的，以便盡早應(yīng)用于臨床試驗。未來的工作將集中開發(fā)新型高量子產(chǎn)量的NIR-II小分子，并努力將其發(fā)射峰擴展到更長波長范圍內(nèi)進(jìn)行分子成像以，并對腫瘤切除術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)和支持。
 

參考文獻(xiàn)

[1] Antaris A L,Chen H, Cheng K, et al. A small-molecule dye for NIR-II imaging[J]. NatureMaterials, 2016, 15(2) 235-42.