近紅外二區(qū)熒光納米探針用于高保真多通道壽命成像
基于不同熒光發(fā)射峰進(jìn)行的多通道檢測技術(shù)被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而由于活體組織復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)不同波長具有的不同吸收和散射作用，即使利用近紅外二區(qū)熒光在生物組織中低散射和吸收的特性，活體多重檢測的定量準(zhǔn)確性仍然有待提高。目前利用鑭系元素?fù)诫s的熒光材料進(jìn)行近紅外二區(qū)壽命多通道檢測取得了突破性的進(jìn)展，然而該類材料在構(gòu)筑不同熒光壽命的探針的同時(shí)，往往會(huì)造成探針之間較大的熒光強(qiáng)度差異，特別是短壽命材料的熒光強(qiáng)度通常較弱，易受到背景噪聲的干擾，從而難以實(shí)現(xiàn)多樣品信息的同時(shí)精確解析。
針對(duì)上述問題，某大學(xué)教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了以Er3+作為發(fā)光中心的、雙界面結(jié)構(gòu)鑭系納米顆粒 (Er-DINPs：α-NaYF4@NaErF4: x%Ce@NaYbF4@NaErF4: x%Ce@NaYF4)，通過平衡Yb3+的敏化作用及Ce3+的促進(jìn)交叉弛豫作用對(duì) Er3+熒光強(qiáng)度和壽命進(jìn)行調(diào)節(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了Er3+近紅外二區(qū)下轉(zhuǎn)換（1525 nm）熒光強(qiáng)度增強(qiáng)和熒光壽命可調(diào)的特性。利用材料優(yōu)勢，該工作進(jìn)一步證明了在保證多樣品間熒光強(qiáng)度差異較�。◤�(qiáng)度差異< 20%）的條件下，可以在較低的信噪比下解析出更準(zhǔn)確的熒光壽命值（解析誤差<10%）及信號(hào)區(qū)域（像素保留率>80%），最終實(shí)現(xiàn)高保真熒光壽命多通道成像(有效像素保留率>80%)。該工作為鑭系納米材料熒光強(qiáng)度和壽命的靈活調(diào)控提供了新思路，同時(shí)也為提高活體壽命多通道成像的半定量或定量分析準(zhǔn)確性提供了重要參考。
這一研究成果于2021年12月以“High-fidelity NIR-II multiplexed lifetime bioimaging with bright double interfaced lanthanide nanoparticle”為題發(fā)表在 《Angewandte Chemie International Edition》頂級(jí)期刊上。
團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列 Er3+摻雜雙界面納米顆粒（DINPs），在NIR-II窗口中具有增強(qiáng)的熒光強(qiáng)度和可調(diào)壽命，以滿足高保真壽命多通道成像的需求（圖1）。 雙界面Er-DINPs的設(shè)計(jì)為：α-NaYF4@NaErF4： x%Ce@NaYbF4@NaErF4： x%Ce@NaYF4（圖1a）， 通過優(yōu)化Yb3+層厚和Ce3+摻雜濃度，最終合成一系列Er-DINPs（α-NaYF4@NaErF4：x% Ce @NaYbF4@NaErF4：x% Ce @NaYF4），它們具有相似的熒光強(qiáng)度（低于17.9±1.5%）和可區(qū)分的熒光壽命（τ：1.29 ms，2.58 ms，3.58 ms）（圖1b）。 利用這些具有強(qiáng)熒光發(fā)射和可調(diào)壽命的Er-DINPs，研究團(tuán)隊(duì)制作了三組壽命編碼箭頭圖（圖1c），以證明具有相似強(qiáng)度的探針能夠同時(shí)進(jìn)行多通道壽命成像方面的優(yōu)點(diǎn)。為了定量評(píng)估解碼的壽命圖像，團(tuán)隊(duì)使用解析壽命值的平均誤差（σ）和信號(hào)區(qū)域的像素保留率（PRR）作為確定解碼壽命圖像保真度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了較高的相似熒光強(qiáng)度的樣品很容易實(shí)現(xiàn)高保真多通道熒光壽命成像，并且熒光強(qiáng)度強(qiáng)、壽命可調(diào)的Er-DINPs能夠通過減小不同壽命的多個(gè)樣品之間的強(qiáng)度差，打破了傳統(tǒng)熒光強(qiáng)度較弱的短壽命材料在壽命復(fù)用方面的局限性。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了Er-DINPs在磷脂修飾后進(jìn)行體內(nèi)多重檢測的潛力。以皮下腫瘤小鼠為分析模型，通過熒光壽命成像系統(tǒng)檢測納米顆粒經(jīng)口服給藥、靜脈和瘤內(nèi)注射三種給藥途徑（圖2a）。使用三種優(yōu)化的Er-DINPs（圖4b，M1-3），它們具有明確區(qū)分的壽命和可比的熒光強(qiáng)度。在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，使用了另外三種強(qiáng)度差異較大的ErNPs（圖4c，M4-6）。
注射優(yōu)化的Er-DINPs（瘤內(nèi)：M-1；口服：M-2；靜脈注射：M-3）后，可以通過對(duì)其代謝富集器官的多通道壽命解碼清楚地區(qū)分它們的給藥途徑（圖4 d），并且每個(gè)器官的解析壽命值與相應(yīng)的探針和離體解剖結(jié)果非常一致（圖4 f)。此外，由于復(fù)雜的生理過程，無法從熒光強(qiáng)度值中獲得不同探針在器官中的富集信息（圖4e，h）。當(dāng)使用具有較大熒光強(qiáng)度差異的常規(guī)β-ErNPs（瘤內(nèi)：M-4；口服：M-5；靜脈注射：M-6）進(jìn)行體內(nèi)或離體成像時(shí)，很難區(qū)分這三個(gè)通道（圖4g）。它們?cè)隗w內(nèi)實(shí)驗(yàn)與造影劑之間解析壽命值的σ均超過25%（圖4i），表明難以獲得具有弱熒光的造影劑的準(zhǔn)確壽命解碼。因此，具有不同壽命和強(qiáng)下轉(zhuǎn)換發(fā)射的優(yōu)化Er-DINPs為體內(nèi)熒光成像提供了更好的機(jī)會(huì)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用這些Er-DINPs通過多通道壽命成像來監(jiān)測小鼠口服給藥后的腸道分布。在注射τ-gut和τ-tumor后，即使在6小時(shí)的監(jiān)測期間，也可以通過一致的特征壽命來清晰區(qū)分這兩種不同造影劑的代謝狀態(tài)（圖4j，k），這充分證明了它們具有良好的可區(qū)分性和穩(wěn)定性，適用于體內(nèi)壽命多通道成像。
參考文獻(xiàn):
Xinyan Zhu, Xuan Liu, Hongxin Zhang*, Mengyao Zhao, Peng Pei, Ying Chen, Yiwei Yang, Lingfei Lu, Peng Yu, Caixia Sun, Jiang Ming, István Ábrahám, Ahmed Mohamed El-Toni, Aslam khan and Fan Zhang*. High-fidelity NIR-II multiplexed lifetime bioimaging with bright double interfaced lanthanide nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed. , 2021, 60, 23545-23551.
| 儀器推薦
本文利用NIR-II-LT完成了小鼠皮下腫瘤模型中口服、靜脈和瘤內(nèi)注射三種不同給藥監(jiān)測的熒光壽命成像實(shí)驗(yàn)，并且利用Er-DINPs的多通道壽命成像監(jiān)測了小鼠口服給藥后的腸道分布實(shí)驗(yàn)。NIR-II-LT是一款長熒光壽命（微秒-毫秒）成像的近紅外二區(qū)系統(tǒng)，用于表征體內(nèi)或體外探針的熒光壽命信息。搭載深度制冷的InGaAs近紅外相機(jī)能夠滿足長時(shí)間曝光成像，尤其對(duì)于弱光能有很高的采集效率。自主開發(fā)的熒光壽命成像軟件功能一鍵操作，可方便的實(shí)現(xiàn)樣品信號(hào)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)、熒光壽命擬合等一系列操作，獲得最終熒光壽命數(shù)據(jù)。成像視野2 cm×2 cm。除此之外，系統(tǒng)仍然具有寬場熒光成像功能，可利用軟件電動(dòng)切換成像模式。系統(tǒng)配有三維平移臺(tái)（集合了自動(dòng)加熱裝置），選配激光器、X射線、近紅外LED等等。該NIR-II-LT可應(yīng)用于活體內(nèi)多組分定量分析、活體內(nèi)免疫組化分析、活體細(xì)胞標(biāo)記以及活體內(nèi)腫瘤微環(huán)境的定量傳感分析，實(shí)現(xiàn)熒光強(qiáng)度成像無法實(shí)現(xiàn)的深組織定量分析等。
針對(duì)上述問題，某大學(xué)教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了以Er3+作為發(fā)光中心的、雙界面結(jié)構(gòu)鑭系納米顆粒 (Er-DINPs：α-NaYF4@NaErF4: x%Ce@NaYbF4@NaErF4: x%Ce@NaYF4)，通過平衡Yb3+的敏化作用及Ce3+的促進(jìn)交叉弛豫作用對(duì) Er3+熒光強(qiáng)度和壽命進(jìn)行調(diào)節(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了Er3+近紅外二區(qū)下轉(zhuǎn)換（1525 nm）熒光強(qiáng)度增強(qiáng)和熒光壽命可調(diào)的特性。利用材料優(yōu)勢，該工作進(jìn)一步證明了在保證多樣品間熒光強(qiáng)度差異較�。◤�(qiáng)度差異< 20%）的條件下，可以在較低的信噪比下解析出更準(zhǔn)確的熒光壽命值（解析誤差<10%）及信號(hào)區(qū)域（像素保留率>80%），最終實(shí)現(xiàn)高保真熒光壽命多通道成像(有效像素保留率>80%)。該工作為鑭系納米材料熒光強(qiáng)度和壽命的靈活調(diào)控提供了新思路，同時(shí)也為提高活體壽命多通道成像的半定量或定量分析準(zhǔn)確性提供了重要參考。
這一研究成果于2021年12月以“High-fidelity NIR-II multiplexed lifetime bioimaging with bright double interfaced lanthanide nanoparticle”為題發(fā)表在 《Angewandte Chemie International Edition》頂級(jí)期刊上。
圖1. (a) 納米顆粒雙界面Er-DINPs的多層結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 熒光發(fā)射光譜及熒光壽命光譜圖。(c) 不同熒光強(qiáng)度材料進(jìn)行壽命多通道成像解析效果對(duì)比圖。
圖2. 活體實(shí)時(shí)熒光強(qiáng)度成像及壽命多通道成像，用于三種不同的給藥監(jiān)測。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了Er-DINPs在磷脂修飾后進(jìn)行體內(nèi)多重檢測的潛力。以皮下腫瘤小鼠為分析模型，通過熒光壽命成像系統(tǒng)檢測納米顆粒經(jīng)口服給藥、靜脈和瘤內(nèi)注射三種給藥途徑（圖2a）。使用三種優(yōu)化的Er-DINPs（圖4b，M1-3），它們具有明確區(qū)分的壽命和可比的熒光強(qiáng)度。在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，使用了另外三種強(qiáng)度差異較大的ErNPs（圖4c，M4-6）。
注射優(yōu)化的Er-DINPs（瘤內(nèi)：M-1；口服：M-2；靜脈注射：M-3）后，可以通過對(duì)其代謝富集器官的多通道壽命解碼清楚地區(qū)分它們的給藥途徑（圖4 d），并且每個(gè)器官的解析壽命值與相應(yīng)的探針和離體解剖結(jié)果非常一致（圖4 f)。此外，由于復(fù)雜的生理過程，無法從熒光強(qiáng)度值中獲得不同探針在器官中的富集信息（圖4e，h）。當(dāng)使用具有較大熒光強(qiáng)度差異的常規(guī)β-ErNPs（瘤內(nèi)：M-4；口服：M-5；靜脈注射：M-6）進(jìn)行體內(nèi)或離體成像時(shí)，很難區(qū)分這三個(gè)通道（圖4g）。它們?cè)隗w內(nèi)實(shí)驗(yàn)與造影劑之間解析壽命值的σ均超過25%（圖4i），表明難以獲得具有弱熒光的造影劑的準(zhǔn)確壽命解碼。因此，具有不同壽命和強(qiáng)下轉(zhuǎn)換發(fā)射的優(yōu)化Er-DINPs為體內(nèi)熒光成像提供了更好的機(jī)會(huì)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用這些Er-DINPs通過多通道壽命成像來監(jiān)測小鼠口服給藥后的腸道分布。在注射τ-gut和τ-tumor后，即使在6小時(shí)的監(jiān)測期間，也可以通過一致的特征壽命來清晰區(qū)分這兩種不同造影劑的代謝狀態(tài)（圖4j，k），這充分證明了它們具有良好的可區(qū)分性和穩(wěn)定性，適用于體內(nèi)壽命多通道成像。
參考文獻(xiàn):
Xinyan Zhu, Xuan Liu, Hongxin Zhang*, Mengyao Zhao, Peng Pei, Ying Chen, Yiwei Yang, Lingfei Lu, Peng Yu, Caixia Sun, Jiang Ming, István Ábrahám, Ahmed Mohamed El-Toni, Aslam khan and Fan Zhang*. High-fidelity NIR-II multiplexed lifetime bioimaging with bright double interfaced lanthanide nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed. , 2021, 60, 23545-23551.
| 儀器推薦
本文利用NIR-II-LT完成了小鼠皮下腫瘤模型中口服、靜脈和瘤內(nèi)注射三種不同給藥監(jiān)測的熒光壽命成像實(shí)驗(yàn)，并且利用Er-DINPs的多通道壽命成像監(jiān)測了小鼠口服給藥后的腸道分布實(shí)驗(yàn)。NIR-II-LT是一款長熒光壽命（微秒-毫秒）成像的近紅外二區(qū)系統(tǒng)，用于表征體內(nèi)或體外探針的熒光壽命信息。搭載深度制冷的InGaAs近紅外相機(jī)能夠滿足長時(shí)間曝光成像，尤其對(duì)于弱光能有很高的采集效率。自主開發(fā)的熒光壽命成像軟件功能一鍵操作，可方便的實(shí)現(xiàn)樣品信號(hào)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)、熒光壽命擬合等一系列操作，獲得最終熒光壽命數(shù)據(jù)。成像視野2 cm×2 cm。除此之外，系統(tǒng)仍然具有寬場熒光成像功能，可利用軟件電動(dòng)切換成像模式。系統(tǒng)配有三維平移臺(tái)（集合了自動(dòng)加熱裝置），選配激光器、X射線、近紅外LED等等。該NIR-II-LT可應(yīng)用于活體內(nèi)多組分定量分析、活體內(nèi)免疫組化分析、活體細(xì)胞標(biāo)記以及活體內(nèi)腫瘤微環(huán)境的定量傳感分析，實(shí)現(xiàn)熒光強(qiáng)度成像無法實(shí)現(xiàn)的深組織定量分析等。
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