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聚集诱导发光AIE材料用于大体积动物的长波长NIR-II大深度高分辨率活体成像
发布时间:2020-12-02     作者:zhn   分享到:

聚集诱导发光AIE材料用于大体积动物的长波长NIR-II大深度高分辨率活体成像


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荧光成像是一种非常重要而且具有临床转化前景的成像模式。与传统可见光(400-700 nm)和近红外一区(NIR-I,700-900 nm)相比,近红外二区波段(NIR-II,1000-1700 nm)在生物组织中的散射更小,穿透能力更强,因此有利于提高成像的深度和深层组织的空间分辨率。近年来,研究者们开展了一系列的基于NIR-II荧光成像方面的研究,实现了对活体深层和功能性成像。然而,NIR-II荧光成像的研究主要集中在小体积动物上(如小鼠,体重一般约20 g),在更大体积动物模型中的应用仍然很少(如大鼠,体重约200 g,是小鼠体积的10倍)。大体积动物的研究对NIR-II荧光成像的临床转化具有非常重要的意义,但是该方面的研究非常有限,主要由于缺乏高亮度和高稳定性的探针材料,大动物更深的组织和更强的散射也增加了成像的难度。


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图1. AIE材料用于长波长NIR-II的大体积动物活体荧光成像


香港科技大学唐本忠院士和浙江大学钱骏教授报道了高亮度和高稳定的NIR-II AIE材料实现大体积动物的活体功能成像,包括大鼠活体脑部血管大深度显微成像,可视化的脑卒中成像和主要器官(胃肠道和膀胱)显影等(图1)。在该研究工作中,作者设计并合成了一种NIR-II发光的AIE分子BPN-BBT(图2),该分子的结构简单,其分子量只有780,有利于大规模生产。分子的核心部分是一个平面的共轭结构,因此具有很高的摩尔消光系数(3.02 × 104 L mol-1 cm-1);同时可以自由运动的苯环和萘环取代基赋予了典型的聚集诱导发光(AIE)特性,使组装成的纳米颗粒具有很高的荧光量子产率(5.7%)。通过FDA认证安全无毒的双极性分子(Pluronic F-127)对BPN-BBT进行修饰包覆,获得了具有优异生物相容性和稳定性的AIE纳米颗粒,适合活体成像应用。


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图2. 具有强吸收和高亮度的NIR-II AIE分子及其组装成高稳定的纳米颗粒


由于AIE纳米颗粒具有很宽的发射光谱范围,作者研究了不同波段(900, 1000, 1100, 1200 nm以上)的荧光特性(图3)。虽然荧光量子产率随着波段的红移而降低,脑部血管成像的空间分辨率和信噪比却随着波段范围的红移而明显提高,即利用1200 nm以上的部分发光可以实现好的成像效果。这主要是由于生物组织的散射随着波长的红移而迅速降低造成的。作者进一步研究了大鼠脑血管的长波长NIR-II(>1200 nm)荧光成像(图4)。尾静脉注射AIE纳米颗粒至大鼠体内后在793 nm光激发下,利用NIR-II荧光显微成像系统获得了高对比度的大鼠脑血管NIR-II荧光成像,在700 µm深度仍然可以清晰地观测到直径约为9.1 µm的毛细血管,是目前大鼠脑部血管造影的结果。


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图3. 不同波段范围的大鼠脑部血管成像结果对比


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图4.大鼠脑部不同深度与大视野脑血管的活体长波长NIR-II荧光显微成像


作者进一步建立了大鼠的脑卒中模型,即在大鼠颈动脉内放入线栓,造成颈部动脉内膜的损伤,进而使该区域血液流动发生变化,激活凝血系统促进血小板的凝集而阻塞血管形成血栓。作者利用NIR-II荧光显微成像实时观测了大鼠脑卒中的形成过程,并对血栓形成前后的同一个脑血管区域进行NIR-II荧光成像并进行对比,可以明显地看到血栓的部位(图5)。该结果说明NIR-II AIE材料可以有效地监测大动物脑部疾病的早期形成和发展过程。


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图5. 实时监测大鼠脑部血栓形成前后的血管结构变化




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