用于體內(nèi)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多重成像的NIR-II窗口中的熒光放大納米晶體

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光學(xué)成像系統(tǒng)在生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程中一直是受到廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)。該成像系統(tǒng)在可以實(shí)時(shí)觀測(cè)樣本的基礎(chǔ)之上，還具有高靈敏度、高時(shí)空分辨率等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。特別是，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多重成像系統(tǒng)對(duì)研究由復(fù)雜生物相互作用調(diào)節(jié)的病理、生理過程至關(guān)重要，如細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)、心血管疾病相關(guān)的血液動(dòng)力學(xué)和神經(jīng)元電路的潛在波動(dòng)等。然而迄今為止，這些研究的實(shí)現(xiàn)主要依賴于多光子熒光顯微鏡和可見熒光探針(波段集中在400-700 nm)。

最近，NIR-II窗口成像技術(shù)在非侵入性生物成像方面取得了進(jìn)展。由于光子散射和生物組織自發(fā)熒光會(huì)隨著波長(zhǎng)變長(zhǎng)而逐漸減少，更深的穿透深度得以實(shí)現(xiàn)。目前，對(duì)NIR-II多重生物成像動(dòng)態(tài)過程的觀測(cè)主要方法都是對(duì)單一探測(cè)器進(jìn)行多幀合成(更換濾波片)，但這種方法犧牲了多個(gè)信號(hào)的時(shí)間同步性。盡管NIR-II時(shí)間分選技術(shù)和脈沖交替激發(fā)方法可以改善時(shí)間分辨率，但在快速生物過程中，壽命分辨或激發(fā)切換仍然會(huì)導(dǎo)致熒光信號(hào)不可避免的損失。因此，實(shí)現(xiàn)非侵入性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多重成像以有效可視化血液動(dòng)力學(xué)和多細(xì)胞動(dòng)力學(xué)仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性且未被充分探索的領(lǐng)域，尤其在體內(nèi)生物成像方面。

文章介紹了一種新的策略，使用基于釹的立方相下移納米顆粒來增強(qiáng)熒光(thulium-based cubic-phase downshifting nanoparticles)，并在 NIR-IIb 子窗口中探索了光學(xué)成像的潛力。同時(shí)，作者們開發(fā)了一種同步雙通道成像系統(tǒng)，可以在各種生物環(huán)境下進(jìn)行非侵入性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多重成像。文章還介紹了該技術(shù)在小鼠模型中對(duì)腦血管血管運(yùn)動(dòng)活動(dòng)和中性粒細(xì)胞行為的非侵入性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多重成像的應(yīng)用。

同步雙通道成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

同步雙通道成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)高度的時(shí)空同步和準(zhǔn)確性，從而實(shí)現(xiàn)非侵入性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多重成像。這種系統(tǒng)可以同時(shí)捕獲兩個(gè)不同的成像信號(hào)，從而提高了成像的信息量和準(zhǔn)確性。此外，該系統(tǒng)還可以在不同的生物環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用，包括研究免疫細(xì)胞、心血管疾病和神經(jīng)元電路等方面。這些優(yōu)勢(shì)使得同步雙通道成像系統(tǒng)成為一種有前途的生物成像技術(shù)。

同步雙通道成像系統(tǒng)組成

概括來看，同步雙通道成像系統(tǒng)由以下幾部分組成：

1. 高分辨率成像設(shè)備：該系統(tǒng)包括一臺(tái)高分辨率的成像設(shè)備，如多光子熒光顯微鏡或其他適用于NIR-IIb波段的成像設(shè)備。

2. 長(zhǎng)通分光鏡：為了實(shí)現(xiàn)雙通道成像，系統(tǒng)中包括一個(gè)1,600nm的長(zhǎng)通分光鏡，用于將不同光譜的熒光信號(hào)分離成兩個(gè)不同的光束。

3. 濾光片：每個(gè)通道可能配備了濾光片，以確保高通道單色性。

4. InGaAs探測(cè)器：系統(tǒng)使用來自Teledyne Princeton Instruments的NIRvana-640探測(cè)器來接收和檢測(cè)NIR-IIb波段的熒光信號(hào)。

5. 熒光探針：研究中使用了α-TmNPs和α-ErNPs作為熒光探針，用于實(shí)現(xiàn)雙通道成像。

圖2：同步雙通道成像系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖

同步雙通道成像系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些

與波長(zhǎng)更短的NIR-II區(qū)域(1000-1400 nm)相比，NIR-IIb(1500-1700 nm)子窗口在血管成像方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于通過完整顱骨進(jìn)行腦血管的非侵入式成像。在Tm-Ch(11.3-21.3)和Er-Ch(7.7-15.3)通道中，與Ho通道(1.1-1.3)相比，信號(hào)與背景的比率約為7-16倍更高。

圖3：小鼠顱內(nèi)血管NIR-IIb窗口(Tm通道、Er通道)與NIR-II更短波長(zhǎng)窗口信號(hào)/背景比率

圖4：小鼠全身血管成像NIR-IIb窗口(Tm通道、Er通道)與NIR-II更短波長(zhǎng)窗口信號(hào)/背景比率

NIR-IIb區(qū)比NIR-II區(qū)的優(yōu)勢(shì)在哪里

同步雙通道成像系統(tǒng)在生物成像領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用：

1. 免疫學(xué)研究：同步雙通道成像系統(tǒng)可以用于觀察和分析免疫細(xì)胞的行為，如單個(gè)細(xì)胞的遷移、相互作用和功能。

2. 心血管疾病研究：該系統(tǒng)可以用于實(shí)時(shí)觀察和分析心血管系統(tǒng)的血流動(dòng)力學(xué)，如血管收縮、擴(kuò)張和血流速度的變化。

3. 神經(jīng)科學(xué)研究：同步雙通道成像系統(tǒng)可以用于研究神經(jīng)元電路的活動(dòng)和功能，如神經(jīng)元的興奮和抑制、突觸傳遞和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)。

4. 腫瘤研究：該系統(tǒng)可以用于觀察和分析腫瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移和治療反應(yīng)，從而幫助研究人員了解腫瘤的發(fā)展機(jī)制和評(píng)估治療效果。

5. 組織工程和再生醫(yī)學(xué)：同步雙通道成像系統(tǒng)可以用于研究和評(píng)估組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物材料和細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化和功能。

這些應(yīng)用領(lǐng)域只是同步雙通道成像系統(tǒng)的一部分，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，它在生物成像領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊。

審核編輯 黃宇