刘斌 Adv. Mater. 综述: “近红外-II”光学成像的最新进展

【引言】

生物成像能够高度清晰的对各种生理和病理过程进行实时监测并使各种生物实体可视化，因此对于生命科学和医学领域的发展是至关重要的。多年以来，生物成像在成像性能和不同功能的成像技术上都取得很大进展，利用某些生物分子和分子标志物来阐明各种疾病背后的各种复杂的分子和入胞机制，使得研究人员和临床医生能够更深入地了解生命系统。同时，因为它可以进行更精确和有效的疾病诊断，从而改善患者的治疗效果，所以生物成像对于临床前研究和临床应用也很重要。而近红外就是目前最实用的一种。其中，“近红外-II”波长在1000~1700 nm比可见光区（400~700 nm）以及“近红外-I”（700~900 nm）存在着更高的空间分辨率、更深的穿透生物基质的深度、较低的光学吸收和散射和具有最小的组织自发荧光现象。目前，利用NIR-II荧光和光声（PA）成像的无创成像技术，就体现了NIR-II光学成像的巨大吸引力。因此，NIR-II生物成像由于其在临床前研究和临床实用方面的巨大潜力而得到越来越多的探索。

【成果简介】

近日，Adv. Mater. 在线刊登了新加坡国立大学的刘斌教授（通讯作者）等人总结的题为“Recent Advances of Optical Imaging in the Second Near-Infrared Window”综述，报道了NIR-II光学成像的进展。文中从三个方面讲述了NIR-II：首先强调NIR-II光谱区在生物成像中的重要性，然后讨论各种NIR-II光谱区荧光成像和PA成像探针及其应用的出现和最新发展，最后给出了NIR-II光谱区生物成像的前景和所面临的挑战。

【图文导读】

1、近红外-II (NIR-II)

生物化合物和组织（如血液、脂肪和皮肤）都能特定地吸收和散射不同程度的任何入射光。因此，光学成像必须在特定的电磁光谱区域中工作且需要光衰减最小，以改善成像对比度和灵敏度以及减少背景噪声。由于NIR-I光谱区存在有限的组织穿透深度、大量的组织自发荧光和明显的背景噪声缺点，所以NIR-I仍然不是最佳选择。通过第一次使用生物相容性的单壁碳纳米管(SWCNTs)在950~1400 nm之间发射的高灵敏度体内血管的NIR-II生物成像后，引发了其他领域的NIR-II荧光探针的发展，如半导体量子点、等离子体纳米粒子、有机半导体聚合物和小分子，用于各种生物成像（体外活细胞成像、体内血液循环跟踪、脉管系统成像、脑损伤检测和肿瘤检测）。总之，虽然NIR-II生物成像对于临床前应用非常有前景，但是其全部潜力只能在高效NIR-II造影剂和高灵敏度、快速光电探测器的同时存在下实现。
Figure 1. 生物组织和光电探测器在200~1800 nm范围内的光学特性。 a)光学波长在各种生物实体的衰减，例如含氧和脱氧的全血、皮肤和脂肪（NIR-I，700~900 nm，粉红色阴影；NIR-II，1000~1700 nm，灰色阴影）；b)不同类型的光电探测器的量子效率。基于硅（Si），铟镓砷（InGaAs）和碲化汞镉（HgCdTe）的光电探测器作为波长的函数。

2、NIR-II荧光成像

荧光成像能够提供出色的空间和时间分辨率，还具有快速的采集时间、需要较少的复杂仪器的操作和无创无害的优点。因此，传统的NIR-I荧光成像已广泛于各种临床应用，例如荧光素血管造影、脉管系统成像和癌症监测。然而，NIR-II展示其在生物成像上的独特优势，例如高选择性活细胞成像、脑血管系统和深部脑肿瘤的高分辨率穿头颅成像以及对血流的实时超快速监测。研究人员致力于开发高发射性和生物相容性的无机和有机NIR-II荧光材料，其具有明亮的荧光和超过1000 nm的发射最大值。

2.1、无机纳米材料的NIR-II荧光成像

2.1.1、单壁碳纳米管（SWCNTs）的NIR-II成像
Figure 2. 单壁碳纳米管(SWCNTs)的NIR-II荧光成像。
a）具有水溶性接有PEG的SWCNT复合物的示意图；b）在808nm激光激发下SWNT-IRDye800复合物的发射光谱；c）由高放大物镜拍摄的子区域的放大的脑血管图像，具有0.80 mm×0.64 mm的视野。插图：沿着虚线黄色条的横截面强度曲线（黑色）和高斯拟合曲线（红色）； d）在NIR-1、NIR-II和NIR-II b区域中没有开颅的荧光小鼠脑血管图像。

2.1.2、金属硫化物、宽带隙半导体和稀土纳米粒子的NIR-II荧光成像
Figure 3. 无机纳米材料的NIR-II荧光成像。
a）小鼠模型中肿瘤诱导的血管生成的实时图像。在4T1肿瘤移植后不同天数尾静脉注射PEG化Ag₂S 量子点后30分钟后荧光图像。红色箭头指向肿瘤诱导的血管生成，如NIR-II PEG化Ag₂S 量子点所示，而白色箭头指向4T1肿瘤； b）白蛋白纳米笼中应用Ag2S量子点用于多峰NIR-II荧光/ PA成像和光热疗法的示意图； c）Ald / DOX @ Ag₂S纳米颗粒的结构和组成的示意图； d）Ald / DOX @ Ag₂S纳米颗粒在各种骨组织（包括脊柱、腿骨和尾巴）中的NIR-II荧光图像；e）NIR-II荧光下转换纳米颗粒（DCNP）负载的中孔微载体，即SiO₂ -Nd₂SiO₂ @ mSiO₂-NH₂ @ SSPI的示意图；f）载有蛋白质-NPTAT复合物的微载体在730 nm或808 nm激发下在不同时间对小鼠进行NIR-II荧光成像。

2.2、有机纳米材料的NIR-II荧光成像

2.2.1、共轭聚合物的NIR-II荧光成像
Figure 4. 共轭聚合物的NIR-II荧光成像。
a）pDA聚合物的合成路线；b）pDA-PEG纳米颗粒的吸光度、荧光吸收和发射最大值分别为654和1047nm；c）各种pDA聚合物的化学结构；d、e）不同pDA聚合物的吸光度和荧光，表明pDA聚合物通过其化学结构的改性的光学性质的可调性；f）静脉内注射的pDA-PEG纳米颗粒随时间推移小鼠后肢股动脉血流的NIR-II荧光成像。 血流前方用红色箭头表示。

2.1.2、有机小分子的NIR-II荧光成像
Figure 5. 有机小分子的NIR-II荧光成像。
a）CH1055及其衍生物（即CH1055-PEG和CH-4T）的化学结构，以及基于DMSO中的EDC/NHS偶联和DMSO中HBTU/DIPEA偶联产生CH1055-PEG和CH-4T的合成途径；b）CH1055-PEG的吸收和发射光谱；c）CH1055-PEG随时间的体内血液循环和尿液排泄的特征，表明其快速从体内清除；d）各种NIR-II造影剂的光学照片，即单壁碳纳米管（SWCNT）、CH-PEG和不同处理的CH-4T以及它们各自的NIR-II荧光图像；e）在将ICG和CH-4T/HSA-HT顺序注射到其足垫中之后，小鼠的深淋巴结的NIR-1和NIR-II荧光图像（如白色箭头所示）。

2.1.3、聚集诱导发光（AIEgens）的NIR-II荧光成像
Figure 6. 具有选择性靶向有机小分子和超亮的NIR-II荧光成像。
a）小分子NIR-II染料CH1000的化学结构；b）EGFR affibody固定的CH1000纳米颗粒即Affibody-DAP的示意图；c）使用affibody-DAP和随时间阻断的甲状腺肿瘤的靶向体内NIR-II荧光成像的信号强度的变化； d）具有聚集诱导发射（AIE）特征的TB1的化学结构； e）TB1点的UV-vis吸光度和荧光光谱； 插图显示在溶液（左）和粉末（右）形成的TB1的荧光图像； f）在不同时间点使用TB1-RGD点（顶部）和TB1点（底部）对原位脑肿瘤进行靶向NIR-II荧光成像。

3、NIR-II光声成像

PA成像（光声成像）是一种将光激发与超声波检测相结合的混合生物成像模式。因为它能够克服光学漫射阈值以及传统光学成像有限的成像和穿透深度，所以是一种最有前景的替代传统光学成像的方案。PA成像是依赖于在吸收激发光之后检测由成像的生物目标产生的声波，具有很强的光学吸收灵敏度（比光学相干断层扫描和共聚焦显微镜高约100倍），因此与光信号相比，在生物组织内超声波的散射大大减少（≈1000倍以下）。由于PA成像可以实现深达几厘米的穿透深度，并产生具有显着增强的空间分辨率和丰富对比度的图像，故而无创PA成像具有巨大的临床前研究和临床应用潜力。

Figure 7. 半导体聚合物的NIR-II PA(光声)成像。
a）SP2的化学结构； b）通过纳米沉淀技术制备的具有NIR-1和NIR-II PA成像能力的SP2纳米颗粒（SPN-II）；c）静脉内注射SPN-II后70分钟，在750 nm（左）和1064 nm（右）进行大鼠皮质的体内PA成像；d）P1的化学结构；e）制备的P1纳米颗粒在不同波长下的PA强度；f）在施用P1纳米颗粒后的不同时间点的原位脑肿瘤的体内NIR-II PA成像。通过灰色超声图像指示颅骨边缘，而PA图像中的绿色信号显示纳米颗粒分布，表明距离颅骨3.4 mm处存在脑肿瘤。
Figure 8. 半导体聚合物用于厘米深度NIR-II PA(光声)成像。
a）噻吩并靛蓝-三甘醇（TII-TEG）的化学结构；b）跨越不同波长的基于TII的半导体聚合物纳米颗粒（TSPN）、血红蛋白（Hb）、水（H₂O）和脂质（由橄榄油表示）的PA强度；c）TSPN的信噪比（SNR）与从1064 nm处的激光激发照射的组织表面的深度的函数关系；d）在不存在（顶部）和存在（底部）不同波长的TSPN的情况下，小鼠肿瘤（点状白色圆圈）的体内PA成像。

4、总结与展望

通过对生物成像的最新进展的调研，已经证明NIR-II光谱区域已经是最有希望替代可见光和NIR-I光谱区域。NIR-II在生物组织中具有较低的消光系数，导致生物实体与较长波长光子之间的相互作用大大减少，减小了光学吸收、散射和组织自发荧光。这极大地推动了各种具有NIR-II吸收和发射能够在超过1000 nm的较长波长发射PA或荧光信号外源造影剂的设计和开发用于NIR-II生物成像。越来越多的概念验证研究已经探索了它们的生物成像应用，并获得了比目前成熟使用的NIR-I更深的渗透深度，更好的对比度和分辨率，这使得NIR-II生物成像在临床前成像研究和临床应用方面具有巨大的潜力。但是NIR-II生物成像技术目前仍处于起步阶段，与大多数新发现或开发的成像技术类似，NIR-II生物成像存在许多挑战。主要涉及如下：（1）设计和/或选择核心材料和功能组/识别元素以形成外源NIR-II探针；（2）优化其光物理特性以匹配可用的成像系统；（3）评估其生物相容性，药代动力学和毒性；（4）NIR II光学光电探测器和成像系统的开发和优化。总之， NIR-II生物成像将如何广泛用于补充甚至替代当前的生物成像技术，以满足当前生命科学和医学研究的要求是还有待观察。 但是，相信随着NIR-II生物成像技术的不断进步以及NIR-II成像系统的成本逐步降低，这种成像技术将被广泛采用。

文献链接：Recent Advances of Optical Imaging in the Second Near-Infrared Window（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201802394）

本文由材料人生物材料组小胖纸编译。

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