湖南师范大学曾松军&香港理工郝建华ACS Nano：近红外二区(NIR-II)发射增强的镧系纳米探针在微小转移瘤检测及肿瘤血管成像中的应用

【引言】

光学成像技术以其高灵敏度和高时空分辨率等优点，为微小肿瘤/转移瘤及肿瘤相关血管的检测和研究提供了一种新的无创检测成像手段，在生物医学和临床诊断中发挥着重要作用。但是，传统的光学成像技术利用可见光和近红外一区 (NIR-I，700-900 nm)的光学成像窗口，存在着较大的光散射损失、组织穿透深度浅等内在缺陷，从而导致成像质量和空间分辨率降低。相对于NIR-I区成像，新一代的近红外二区光学成像（NIR-II，1000-1700 nm）在成像灵敏度、穿透深度和空间分辨率方面有着显著提高。因此，开发新型的高灵敏度的NIR-II区光发射探针，对实现肿瘤高灵敏的早期诊断及肿瘤血管的高质量成像将具有重要意义。

【成果简介】

近日，湖南师范大学曾松军教授和香港理工大学郝建华教授（共同通讯作者）课题组设计了一种基于镧系掺杂的高质量稀土近红外二区光学探针，通过Ce³⁺离子浓度掺杂等策略，提高了该纳米探针的NIR-II (1525 nm) 区发射强度和量子效率。将其应用于NIR-II光学引导的高质量、高分辨率的肿瘤血管成像，揭示了肿瘤周围血管的分布。而且，进一步实现了NIR-II光学引导的微小转移瘤(~ 3 mm)的检测，这对实现肿瘤的高灵敏性早期诊断迈出了重要一步。该成果以题为“Non-Invasive Optical Guided Tumor Metastasis/Vessel Imaging by Using Lanthanide Nanoprobe with Enhanced Down-Shifting Emission beyond 1500 nm”发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图1. NIR-II区光发射增强的稀土基纳米探针的制备和生物成像应用示意图

图2. 稀土纳米探针的结构表征

（a）NaLnF₄（Ln=Lu，Yb，Y）稀土纳米棒的合成示意图；

（b-d,f）不同浓度Ce离子掺杂的NaLuF₄纳米棒透射电镜图；

（e）单个纳米棒的高分辨率透射电镜图；

（g-h）5%Ce掺杂的NaYbF₄和NaYF₄纳米棒透射电镜图；

（i）NaLuF₄纳米棒X射线衍射图谱。

图3. 稀土纳米探针光学性质

（a）NIR-II发射增强机理示意图；

（b）不同Ce³⁺离子浓度掺杂的NaLuF₄纳米棒体外成像图；

（c）简化的能级图；

（d）不同Ce³⁺离子浓度掺杂的NaLuF₄纳米棒上转换和NIR-II发射强度变化趋势图；

（e）不同Ce³⁺离子浓度掺杂的NaLuF₄纳米棒上转换和NIR-II发射光谱；

（f）5%Ce³⁺掺杂的NaLnF₄（Ln=Lu，Yb，Y）体系的NIR-II发射光谱；

（g）和（h）5%Ce³⁺掺杂的NaLnF₄（Ln=Lu，Yb，Y）NIR-II发射强度对比和体外成像图。

图4. NIR-II光学成像引导的微小肿瘤检测

（a）NIR-II光学成像引导的小鼠微小肿瘤检测示意图；

（b）静脉注射后，肿瘤小鼠不同时间点NIR-II光学成像；

（c）肿瘤小鼠NIR-II光学成像图及数码照；

（d）肿瘤小鼠离体器官数码照及其离体NIR-II光学成像。

图5. NIR-II光学成像指导的微小转移瘤探测

（a）NIR-II光学成像引导的微小转移瘤检测；

（b）肿瘤小鼠转移瘤解剖数码照；

（c）转移瘤离体数码照和对应的离体NIR-II光学成像图。

图6. 肿瘤血管的NIR-II区高分辨光学成像

（a）NIR-II光学引导的肿瘤血管成像示意图；

（b）小鼠肿瘤的明场和数码照；

（c）肿瘤血管的高分辨NIR-II光学成像；

（d,e）肿瘤血管图和对应的血管截面荧光强度分布。

 【结论与展望】

本文报道了一种NIR-II区光发射增强的、高生物相容性的稀土基发光纳米材料，采用非侵入近红外二区光学成像的方法，成功实现了微小肿瘤/转移瘤的高灵敏性光学检测和肿瘤血管的高空间分辨成像。该研究进一步拓展了稀土基纳米探针在近红外二区生物成像中的应用，为早期肿瘤的高灵敏性诊断提供了高性能近红外二区光学探针。

文献链接：Youbin Li, Songjun Zeng, and Jianhua Hao, Non-Invasive Optical Guided Tumor Metastasis/Vessel Imaging by Using Lanthanide Nanoprobe with Enhanced Down-Shifting Emission beyond 1500 nm (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b05431).

本文由湖南师范大学曾松军教授和香港理工大学郝建华教授团队供稿，材料人编辑部编辑。

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