Nature Nanotechnology | 复旦大学张凡/凡勇开发新的纳米粒子，实现深层组织实时动态多路复用成像

第二个近红外窗口(NIR-II, 1,000-1,700 nm)的光学成像在非侵入性体内检测中具有很大的前景。然而，由于理想的NIR-IIb (1,500-1,700 nm)“深层组织透明”子窗口中缺乏可用的荧光探针和多路复用技术，实时动态多路复用成像仍然具有挑战性。

2023年6月22日，复旦大学张凡及凡勇共同通讯在Nature Nanotechnology在线发表了题为“Fluorescence-amplified nanocrystals in the second near-infrared window for in vivo real-time dynamic multiplexed imaging”的研究论文，该研究报道了基于铥的三相降移纳米粒子(α-TmNPs)，可实现1632 nm荧光扩增。这一策略也被用于掺杂NIR-II Er3+ (α-ErNPs)或Ho3+ (α-HoNPs)的纳米颗粒的荧光增强。

同时，该研究还开发了一种具有高时空同步性和精度的双通道同步成像系统。总之，该研究通过NIR-IIb α-TmNPs和α-ErNPs实现了小鼠皮下组织和缺血性脑卒中模型的血管运动活性和单细胞水平中性粒细胞行为的无创实时动态多路成像。

实时动态光学成像以其独特的高灵敏度和高时空分辨率进行即时观测的能力，在生命科学和生物医学工程中引起了广泛的关注。特别是，实时动态多路成像对于研究由复杂生物相互作用调节的病理生理过程至关重要，包括细胞介导的免疫反应、心血管疾病相关的血流动力学和神经元回路的潜在波动。迄今为止，这些研究的实施主要依赖于多光子荧光显微镜与可见荧光探针(400-700 nm)。然而，与单光子激发相比，多光子激发的荧光衰减更剧烈，由于非线性光学过程，光子在生物组织中传播。因此，需要进行侵入性手术以暴露底层组织，以防止光衰减，由于手术引起的微环境改变，这往往导致结果不可靠。

最近，二次近红外(NIR-II)窗口成像促进了非侵入性生物成像，由于减少了光子散射和组织中逐渐变长的波长的自身荧光，其穿透深度更深。目前，NIR-II多路生物成像监测的动态过程主要依赖于通过切换滤光片对单个探测器顺序获得的快照进行集成。这牺牲了多个信号的时间同步。虽然NIR-II时间门控技术和脉冲交错激励方法有助于单色复用，但在快速生物过程中，寿命分解或激励切换仍然导致荧光信号不可避免的损失。正因为如此，无创实时动态多路复用来有效地可视化血液动力学和多细胞动力学仍然是一个挑战，因此在体内生物成像方面尚未得到充分的探索。

为了避免这种情况，在NIR-IIb子窗口(1,500-1,700 nm)区域发射的明亮荧光探针是必不可少的，因为该区域提供了光子散射和吸水效应以及减少自身荧光的最佳平衡。镧系降移纳米粒子(DSNPs)是理想的候选探针，因为它们具有可调谐的NIR-II波长，窄的发射带宽和吸收和发射之间的大光谱分离。然而，到目前为止，只有Er3+掺杂的NIR-IIb DSNP具有1,530 nm的发射，这严重限制了实时动态复用的应用。

急性炎症期间中性粒细胞反应的实时动态多路成像（图源自Nature Nanotechnology ）

该研究报道了三相铥基DSNPs (α-TmNPs)的合成，其荧光在1632 nm处出现扩增。该策略同样适用于其他掺杂Er3+ (α-ErNPs)和Ho3+ (α-HoNPs)的DSNP的降移荧光增强。同时，该研究设计了NIR-IIb区域单激发双通道同时检测的成像系统，利用开发的α-TmNPs和α-ErNPs (1,530 nm)实现实时动态多路成像。该研究实现了高时空同步的动脉自发性血管运动的非侵入性动态多路捕获。此外，还实现了缺血性脑卒中小鼠炎症皮下组织和脑血管中中性粒细胞粘附和外渗等细胞动力学的多路成像。该研究的技术实现了无创体内实时动态复用成像，为揭示真实的生物过程铺平了道路，而不会在微环境中产生不确定的干扰。

研究工作得到了复旦大学化学系、聚合物工程国家重点实验室、上海市分子催化和功能材料重点实验室、国家重点研发项目、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会等机构与项目的大力支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01422-2

转自：“iNature”微信公众号

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