JACS：通过金属纳米粒子标记透明组织实现其三维成像

【引言】

化学探针是生物成像工具箱中至关重要的组成部分，因为它们可以用来标记细胞和组织中的生物分子。而生物成像领域中的新挑战则是设计用于三维组织成像的化学探针。研究发现，在完好无损的组织中，金属纳米粒子的光散射可以为人们提供三维成像的对比情况；其次，纳米粒子可以作为用于金属层化学生长的模板，从而进一步提高散射信号。在此基础上，研究人员提出了一种通过金属纳米粒子标记透明组织实现其三维成像的新策略。

【成果简介】

近日，来自加拿大多伦多大学的Warren C. W. Chan等人在JACS上发表了一篇题为“Three-Dimensional Imaging of Transparent Tissues via MetalNanoparticle Labeling”的文章。文章中详细介绍了一种新型金属纳米探针，这种基于纳米粒子的探针可以克服小分子有机分子和荧光蛋白质所固有的许多限制，因为它们具有较大的消光系数。研究人员发现基于纳米颗粒的散射造影剂可以作为荧光的替代品，用于检测完整透明组织中的低丰度目标。另外，通过化学还原金或银到纳米颗粒上可以增加纳米颗粒的散射以放大信号并允许对特定组织结构进行超敏感检测。

【图文导读】

图1 金属纳米颗粒的散射为完整组织的3D成像提供了对比

a）在模型组织（1mm小鼠肝切片）中，光通过脂质−水界面散射并限制其穿透深度；

b）用组织透明技术使完整的组织透明化并抑制固有散射，使光线穿透组织；

c，d）具有不同直径的一系列AuNPs（金纳米粒子）的表面和反式照明的照片；

e）直径3-100nm的金纳米粒子的合成实例。

图2 使用3D暗视野显微镜在小鼠肠和肾组织中显示金纳米颗粒（AuNP）散射信号

a）含有50nm AuNPs的肠组织3D图像的表面图，显示绒毛的形态；

b）（a）图像的较小部分；

c）肠组织相同区域的3D最大强度投影（MIP）显示血管的排列和AuNPs的分布；

d）（e）中2D部分的位置显示单个绒毛内AuNPs的分布；

f，g）肾脏组织内血管和AuNPs的3D最大强度投影，肾小球明亮可见；

h）（i）和（j）中2D部分的位置可显示AuNPs在肾小球内和其周围的分布。

图3 纳米颗粒的散射信号可在整个组织中扩增百万倍

a，b）50nm银和金纳米颗粒（分别为AgNP和AuNPs）的摩尔消光系数比典型发色团和荧光团的摩尔消光系数高出一个数量级，而散射光子产量（S.Y.）与荧光量子产率相似；

c）与普通荧光团的信号相比，AuNPs的散射信号不能够光漂白；

d）当在小鼠肝脏中使用双重血管标记策略时，AuNPs在此期间散射强度没有显示任何变化，此时由于光漂白，Alexa Fluor 555信号减弱；

e）散射信号可以进一步放大；

f）Mie理论预测直径从10到100 nm的AuNPs的散射系数；

g）具有不同浓度的13nm AuNPs或50nm SiNP的肝组织显示所得到的AuNPs的尺寸是可控的；

h，i）透射电镜图像展示了放大后AuNPs的尺寸和形态。

图4 基于多巴胺的金沉积策略

a）用多巴胺修饰的在 AuCl₄^-溶液中的100 nm的聚苯乙烯珠；

b）这种策略在其他材料上产生了类似的结果，例如二氧化硅和PLGA纳米颗粒，浸泡于Au（III）溶液后出现红色（二氧化硅）和紫色（PLGA）颜色；

c）通过扫描电子显微镜和金纳米粒子上的金和碳的能量色散X射线光谱（EDX）分析，证实了金纳米粒子的沉积。

图5 使用纳米粒子散射剂对血管进行映射的小鼠肾脏的分子标记

a）用GSL-1对AuNP进行表面改性；

b）凝胶迁移率变化的测定证实了表面改性；

c）取自小鼠肾组织3D图像的二维照片；

d）曼德系数作为深度的函数显示AuNP-GSL1始终与自由荧光标记的分子共定位。

图6 金粒子的原位沉积能够检测低积累的AuNPs

a）在原始组织中无法检测到15nm AuNPs积累和弱散射产量；

b）在同一天使用相同的成像条件收集的两个三维图像。

图7 实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）模型的多光谱结构分析

a）免疫15天后从实验小鼠中提取脊髓，将其固定，清除，并使用银沉积染色病变组织；

b）脊髓病变部位的二维虚拟切片，可视为银染色图像中的暗区，手工分割以产生病变的二值图像；

c）在DAPI，GSL1和病变通道中显示的整个脊髓的横向和矢状部分；

d）3.6 mm脊髓长度的三维最大强度投影显示出整个脊髓的血管、细胞浸润和病变组织的相对排列；

e，f）未免疫小鼠的横向和锯齿状切片显示核的正常分布和扩张血管的较低丰度；

g）三种小鼠的终点临床评分、细胞浸润浓度和病变程度。

【小结】

使组织光学透明的基本原理是通过去除光散射成分并使剩余组织中的折射率相匹配从而减少组织的固有散射。这样可以使光线深入组织，即能够得到完整组织的3D显微镜照片。在此基础上所开发的通过金属纳米粒子标记透明组织实现其三维成像的方法将会在临床医疗诊断中大显身手。

文献链接：Three-Dimensional Imaging of Transparent Tissues via Metal Nanoparticle Labeling（JACS，2017，DOI: 10.1021/jacs.7b04022）

该文献汇总由材料人生物材料组昝菲编译，材料牛编辑整理。

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