荧光（Fluorescent）是自然界的一种常见发光现象。当荧光物质受到激发光照射时，内部的分子或原子吸收光子从基态跃迁到激发态，随后发出波长更长的出射光，这种出射光就是荧光。上世纪90年代中期，斯坦福大学的Chris，Pamela Contage和Beneron三位科学家利用高灵敏度的CCD相机追踪到了活体小鼠体内的光学信号，拉开了小动物活体荧光成像研究的序幕。

 

近些年来，近红外（波长：700-1700 nm）荧光成像凭借组织穿透深、成像速度快、副作用小等优点引起了科研人们的极大兴趣。一般地，近红外区域分为两类，近红外第一窗口（NIR-I，波长：700-900 nm）和近红外第二窗口（NIR-II，波长：1000-1700 nm）。目前为止，大多数荧光成像研究都是在NIR-I窗口内进行的。相较于NIR-II窗口，活体组织对位于NIR-I窗口内的激光有更强烈的散射和吸收，这使得NIR-I窗口内的成像质量较差。而活体组织对NIR-II窗口的激光的散射和吸收都比较低，且活体组织在此波长范围内的自发荧光较少，这使得NIR-II成像有着更高的空间分辨率和穿透深度。近年来，NIR-II荧光成像已成为活体成像的研究热点（图1）。

 

图1：NIR-II窗口比NIR-I窗口有更弱的组织自发荧光、散射和吸收

 

现有的NIR-II荧光基团大多都是无机纳米粒子，无机纳米粒子的长期毒性和较慢的代谢速率一直是困扰科学界的一大难题。另外，由于合成条件的限制，现有的无机材料造影剂必须封装在聚合物基质中，这大大的增加了荧光基团的尺寸，超过了肾脏的过滤阈值。为解决上述难题，2015年武汉大学洪学传教授与美国斯坦福大学程震教授、戴宏杰教授合作，共同在国际顶级期刊《NatureMaterials》上发表了题为“Asmall-molecule dye for NIR-II imaging”的文章，报导了他们的研究成果。


 

图2：CH1055-PEG的表征；（a）合成示意图；（b）光致发光光谱；（c）吸收和荧光发射光谱；（d）光学稳定性；（e）CH1055-PEG和IR-26的荧光光谱曲线

 

该工作合成了一种水溶性良好、可生物代谢的小分子染料：CH1055-PEG。研究表明， CH1055-PEG有较好的光稳定性，量子效率（QuantumYield）为0.3%。与SWCNTs相比，CH1055-PEG有较高的成像分辨率，经注射后，小鼠膀胱内CH1055-PEG含量快速上升，这说明该荧光染料可以被迅速代谢掉，而SWCNTs则逐渐在小鼠肝脏聚集（图3）。



 

图3：药代动力学图像；（a）CH1055-PEG和（b）SWCNTs的近红外二区图像；（c）CH1055-PEG和（d）SWCNTs的荧光强度曲线；（e）尿液中的累计浓度和血液浓度曲线
 

为了突出NIR-II荧光成像的优势，作者用CH1055-PEG作为NIR-II荧光染料与ICG（吲哚箐绿）作为NIR-I荧光染料做了对比。尽管ICG的量子产率较高，但CH1055-PEG的信噪比更高，这会使得图像的清晰度更高（图4）



 

图4：（a）注射CH1055-PEG和ICG后，小鼠腹股沟淋巴结荧光强度和自身组织背景噪音；（b）CH1055-PEG和ICG的信噪比

 

作者通过手术将U87MG细胞移植到小鼠左脑4mm深处。当肿瘤尺寸达到2-3 mm时，静脉注射CH1055-PEG进行NIR-II荧光成像。注射6 h后，肿瘤清晰可见，T/NT为3.2（1200 LP,400 ms），24 h后，T/NT约为4.25，72 h后，T/NT最终的达到5.50（1300LP，1s）。为更进一步说明NIR-II成像有更高的分辨率，在C57BL/6小鼠的头皮和皮肤均完好的情况下，利用ICG和CH1055-PEG分别对其进行脑血管荧光成像。可以看出NIR-II荧光成像的清晰度要明显优于NIR-I窗口。（图5）

 

图5： CH1055-PEG和ICG对小鼠脑部血管近红外成像图
 

   作者将实验对象推广到体型更大的大鼠。由图6看出，NIR-II荧光成像比NIR-I荧光成像有更高的分辨率，利用CH1055-PEG作为荧光染色剂对大鼠的脑部以及后肢在NIR-II进行荧光成像，可使得大鼠脑部和后肢的血管清晰可见（而ICG作为NIR-I窗口的荧光染料则无法使大鼠血管清晰可见）。

 

图6：利用CH1055-PEG和ICG对大鼠脑部和后肢进行活体近红外荧光成像
 

就血管成像和淋巴管成像的空间分辨率和成像深度而言，这是NIR-II荧光基团shouci超过FDA批准的NIR-I荧光基团。CH1055-PEG可以在前哨淋巴结精确定位，为NIR-II成像技术提供了帮助。皮下注射CH1055-PEG后，前哨淋巴结和之前未发现的肿瘤一起被高保真的显现出来。随着NIR-II成像技术在学术和临床领域的不断扩展，对 CH1055-PEG的药代动力学进行进一步研究是十分有必要的，以便尽早应用于临床试验。未来的工作将集中开发新型高量子产量的NIR-II小分子，并努力将其发射峰扩展到更长波长范围内进行分子成像以，并对肿瘤切除术进行指导和支持。
 

参考文献

[1] Antaris A L,Chen H, Cheng K, et al. A small-molecule dye for NIR-II imaging[J]. NatureMaterials, 2016, 15(2) 235-42.