两江科技评论

2018-08-13

导读：复旦大学张凡教授和澳大利亚麦考瑞大学YiqingLu研究员合作，采用镧系元素掺杂的近红外二区（NIR-II）纳米探针，实现了荧光寿命的调节，可用于时分多路复用的生物标志物体内定量成像，并且该探针在生物

导读

近日，复旦大学张凡教授和澳大利亚麦考瑞大学Yiqing Lu研究员合作，采用镧系元素掺杂的近红外二区（NIR-II）纳米探针，实现了荧光寿命的调节，可用于时分多路复用（time-domain multiplexing）的生物标志物体内定量成像，并且该探针在生物组织中深度可达8mm、从强度测量得到的信噪比低于1.5。相关工作以“Lifetime-engineered NIR-II nanoparticles unlock multiplexed in vivo imaging”为题，发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

背景介绍

传统的荧光成像的波长大多集中在可见光到近红外一区波段，存在组织穿透深度低和空间分辨率低的缺点，这大大限制了荧光成像方法的应用。近红外二区（NIR-II，1000-1700nm）区荧光成像技术的优势主要体现在可显著降低生物体自发荧光强度与光子吸收、散射的干扰，探测深度更深、空间分辨率更高。近红外二区（NIR-II）的深层组织成像在生理学研究和生物医学应用上具有广阔前景。

癌症检测体内纳米颗粒的程式化图像。

图片来源：Yong Fan。

在过去几年中，科学家们一直致力于开展近红外二区荧光探针的研究。这些探针对生物组织具有更强的穿透能力，在生物学、生理学等过程的实时研究，以及从无创诊断到影像引导手术的临床应用中具有巨大潜力。

在体内检测多种生物标志物（亦被称为多路复用）一直是研究人员面临的主要挑战。理论上，使用不同波长的红外光、同时检测不同标志物的传统荧光技术可应用于各种体外诊断；而实际上，将多个纳米颗粒同时放置在一个位置，在多个波长下检测多个生物标记物时会产生过多的干扰。这样，如果体内存在一系列疾病的生物标志物，就很难准确地诊断不同的疾病。另一方面，不同部位的生物组成各不相同，它们对不同波长红外光的影响也不尽相同，定量的多路复用技术仍然不切实际；尤其是在深层组织的成像应用中，复杂的组织结构（包括皮肤、肌肉、脂肪、骨骼和体液）具有不同吸收和散射谱，给光谱多路复用技术造成了巨大的困难。到目前为止，体内NIR-II成像主要局限于单个探针，很少采用两个以上探针，并且在定量检测的准确性上也有待商榷。

创新研究

在本项工作中，研究人员采用镧系元素掺杂的NIR-II纳米颗粒作为探针，用于时分多路复用（time-domain multiplexing）的体内生物标志物的定量成像。他们系统地设计了一种基于受控能量中继器（controlled energy relay）的方法，实现了对荧光寿命跨越三个数量级的大范围调节，探针在生物组织中深度可达8mm，其强度测量得到的信噪比低于1.5。他们通过监测荧光发射的持续时间和识别生物标记物反应所产生的分子特征，避免了重叠波长的相互干扰问题，能够同时检测多种疾病的不同生物标志物，并对其进行定量成像。

此外，他们将这种特别设计的纳米颗粒放置在小鼠体内和体外免疫组织的特定部位，通过引入特定的激发光，使得这些能够反映疾病的纳米粒子发出特定波长的信号，从而对疾病部位进行识别。结果证明稳定的寿命编码（lifetime coding）与组织穿透深度无关，并且这种探针能够检测小鼠体内多种形式的乳腺癌肿瘤。该研究结果与标准的体外免疫组织化学分析相一致，表明发光寿命成像（luminescence lifetime imaging ）是一种疾病微创诊断的有效方法。

" 我们对这项工作的结果非常兴奋"，复旦大学张凡教授说，“我们能够成功检测和鉴定出许多不同亚型乳腺癌的关键生物标志物。这项技术有可能提供一种无需通过活体组织样本检验就能确定乳腺癌是否存在，以及乳腺癌的形态的体外检测方法。”

这项研究开辟了疾病微创诊断的新途径，可以广泛用于生物医学研究和临床应用。接下来，该研究团队将进一步优化纳米粒子的性质，解决与临床推广相关的技术问题，并尝试拓展这种技术的应用领域。

图文速览

图一深层组织成像光谱和寿命通道的比较