近红外二区发光材料在脑成像中的研究进展
2024-12-16 来源:本站 点击次数:1014在众多影像技术中，活体荧光成像由于具有操作简单、成像速度快、灵敏度高、无电离辐射等优点而备受关注，为更加深入地了解生物体的解剖结构和生理活动提供了新的工具，从而成为了生物医学领域发展最快、应用最广泛的成像技术之一。然而，活体荧光信号在生物体内通常会受到光子和生物组织之间相互作用的影响，例如吸收、反射、散射和众多生物分子的自发荧光等。
目前，荧光成像技术已成为生物医学应用中的重要工具之一，但其易受到光的穿透能力有限、组织自体荧光干扰等因素的影响。与可见光和近红外一区光相比，近红外二区荧光成像具有更深的穿透深度、更高的成像分辨率和灵敏度、更低的背景噪音和更高的信噪比，因此在脑血管成像和重大脑疾病的成像诊断方面展现出潜在的应用前景。
清华大学化学系张洪杰团队综述了几种不同的NIR-Ⅱ荧光探针的开发及其在大脑中的血管、肿瘤、炎性疾病和神经退行性疾病的成像应用研究，并探讨了其在未来临床转化过程中会面临的问题。
NIR-Ⅱ荧光探针
一、金纳米簇
◆ 结构与特性
由几个到几十个金原子组成，尺寸小于2nm，介于金纳米颗粒与单个金原子之间，因量子尺寸效应能级不连续，展现出NIR-Ⅱ荧光性质。
◆ 研究实例
2017年，Zhou等观察到Au₃₇NCs的激子局域化现象；Li等报道了Au₂₄、Au₂₅和Au₃₃NCs，Au₂₅中心多一个原子使其量子效率从1%提高到8%，Au₃₇最大发射波长红移至1520nm，量子效率为0.1%，调节结构可改变发射波长和量子效率。
福州大学杨黄浩教授采用环糊精（CD）为配体合成CD-Au@AuNCs（约 1.85nm），在808nm激发下发射1050nm光，构建的Ab@CD-AuNCs实现了更高信噪比的NIR-Ⅱ成像诊断。
二、量子点◆ 特点与优势
半径2-10nm的半导体纳米晶，具有光谱范围宽、光稳定性强、量子产率高等优点，新型量子点采用低毒性元素或表面修饰可降低生物毒性。
◆ 相关研究
1998年，Bruchez和Chan等利用特异性标记QDs实现可见光区域体外成像，为QDs进入生物医学领域奠定基础。
2010年，Wang等合成10.2nm单分散Ag₂SQDs并报道其NIR-Ⅱ发光性能，Dai团队报道的6-PEG-Ag₂SQDs发射中心约1200nm，量子产率15.5%，可实时跟踪小鼠体内血液循环情况。
2013年，该团队合成3.4nmAg₂SeQDs，修饰后在水溶液中分散性良好，发射中心1300nm，实现高空间分辨率成像；但 Ag₂EQDs中Ag⁺离子迁移率高导致晶体缺陷，光致发光强度下降，通过构建核壳结构可提高量子产率，如Ag₂Te@Ag₂SQDs发光强度提高约2.3倍，光致发光峰略微红移，在小鼠体内实现高分辨率成像。
三、稀土发光材料◆ 组成与优势
由基质、敏化剂和激活剂组成，具有Stokes位移大、量子产率高、稳定性好等优点，稀土元素中Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺和Tm³⁺可作敏化剂，Pr³⁺、Nd³⁺、Ho³⁺、Er³⁺和Tm³⁺可作激活剂。
◆ 研究进展
2013年，Moghe研究团队报道一系列核壳结构，以NaYF₄:Yb, Ln³⁺（Ln³⁺=Er, Ho, Tm, Pr）为核，未掺杂NaYF₄为壳，实现不同波长NIR-Ⅱ荧光发射。
2019年，复旦大学张凡教授课题组以Tm³⁺为敏化剂合成NaYF₄:5%Tm³⁺, 50%Er³⁺@NaYF₄纳米晶，可实现1208nm激发下1525nm波长发射，通过调节Tm³⁺含量实现下转换发射。
除核壳结构以外，还可采用核-多层壳的结构，如NaErF₄@NaYbF₄@NaYF₄纳米晶可实现高效NIR-Ⅱ发光。
2017年，戴宏杰教授团队通过掺杂元素提高发光强度，如将Er³⁺、Ce³⁺掺杂入NaYbF₄基质构建核壳结构纳米晶，Ce³⁺掺杂抑制Er³⁺上转换过程，增强下转换发光强度；后续构建的NaYbF₄:2%Er, 2%Ce, 10%Zn@NaYF₄核壳结构纳米晶进一步提高了下转换发光强度。
四、有机荧光染料◆ 结构分类与特性
分为以苯并双噻二唑（BBTD）为核的D-A-D结构荧光团和以聚次甲基为骨架的D-π-A结构花菁类染料，具有结构确定、分子量小、易代谢、低毒性等优点。
◆ 研究成果
2020年，Fang等将硒原子和氨基引入BBTD构建FM1210荧光团，发射波长1210nm，封装于脂质体后实现高信噪比NIR-Ⅱ荧光成像。
2019年，复旦大学张凡教授课题组设计合成CX系列荧光团，具有波长可调性和良好稳定性，通过封装构建PN1100荧光探针，可检测ONOO⁻。
有机染料存在聚集诱导荧光猝灭效应，2001年唐本忠院士研究团队发现聚集诱导发光（AIE）现象，后设计构建2TT-oC26B等AIE探针，发射波长有效红移，将DSPE-PEG2000与2TT-oC26B自组装制备的AIE纳米颗粒实现了血管系统和肠道的 NIR-Ⅱ荧光成像。
Feng等采用F-127两亲性嵌段共聚物封装AIE探针制备OTPA-BBT，发射波长峰值1020nm，量子产率13.6%，在小鼠和狨猴中实现无创颅内血管和胃肠的NIR-Ⅱ成像，且代谢途径明确，无明显毒性。
五、复合型NIR-Ⅱ荧光探针◆ 复合提升性能原理
由基质、敏化剂和激活剂组成，具有Stokes位移大、量子产率高、稳定性好等优点，稀土元素中Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺和Tm³⁺可作敏化剂，Pr³⁺、Nd³⁺、Ho³⁺、Er³⁺和 Tm³⁺可作激活剂。
◆ 研究实例
纽约州立大学Prasad教授团队报道ICG敏化的NaYF₄:Yb³⁺, X³⁺@NaYbF₄@NaYF₄核壳壳结构纳米晶，ICG与Nd³⁺能量转移提高纳米晶发光强度，优化ICG浓度后，在多个波长处发光强度显著提高，穿透组织后可检测信号，细胞毒性低，可作为潜在NIR-Ⅱ荧光成像探针。
福州大学杨黄浩教授研究团队以Ag₂SQDs为敏化剂构建Ag₂S-NaYF₄:18%Yb³⁺, 2%Er³⁺纳米晶，有效能量传递提高了吸收和能级跃迁，发射明显增强，证明Ag₂SQDs敏化是提高RENPs发光效率的有效途径。
苏州大学高明远教授研究团队构建BLQDs纳米探针，无需外源光激发，荧光素酶与底物反应能量传递至Ag₂SQDs诱导NIR-Ⅱ发射，生物成像信噪比提高2倍，在活体内生物成像潜力大。
NIR-Ⅱ发光材料在大脑中的应用
一、脑血管成像
Deng等开发的PAA-KSc₂F₇:Yb³⁺, Er³⁺纳米棒用于无创性脑血管荧光成像，具有高量子效率、稳定性好等优点，静脉注射后可监测大脑血管荧光强度变化，拟合得出血管宽度。
Li等合成的TBP-b-DFA有机荧光团用于成像，绝对量子产率0.4%，发射波长可延伸至1400nm，可准确可视化不同深度小鼠脑血管系统，监测脑血流量。
Liu等构建的Au₂₅纳米簇通过配体和金核电荷转移发射NIR-Ⅱ 荧光，半胱氨酸可提高其量子效率，掺杂Cu或Hg可调节带隙，无创颅内血管荧光成像显示其具有优异药代动力学，可快速从脑血管清除，有望用于医学诊断和体内成像。
二、脑胶质瘤成像◆ 调控焦点轴向位置实现尺度渐变
Wang等开发的BF1-BF8荧光团用于无创NIR-Ⅱ脑胶质瘤荧光成像，BF1和BF6荧光团可穿过血脑屏障，静脉注射后能区分正常组织和肿瘤区域。
Ren等构建的Er-DCNPs-Dye-BP-ANG用于聚焦超声辅助的颅内微小肿瘤诊断和手术切除，BP聚合物刷敏化和Ce³⁺掺杂增强发光，聚焦超声打开血脑屏障协同靶向肽将其递送至肿瘤区域，可精确描绘肿瘤边缘、测量大小，信噪比约12.5，为手术导航奠定基础。
Zhu等利用M2pep多肽修饰的Er-NPs定位脑胶质瘤中M2型肿瘤相关巨噬细胞评估药物治疗效果，具有优异靶向和成像能力。
还有将荧光成像诊断和治疗一体化的研究，如Qiao等构建的BPNdDTK-cRGD用于NIR-Ⅱ荧光成像引导的X射线光动力治疗，可无创性原位脑胶质瘤成像诊断，显著抑制颅内肿瘤生长Yin等构建的P@GMT-R纳米胶囊用于原位脑胶质瘤NIR-Ⅱ荧光成像和MRI引导治疗，具有良好成像能力和生物相容性；Zhang等构建的ApoE-TBTP-Au实现原位脑胶质瘤可视化和Au (Ⅰ) 诱导的铁死亡治疗，延长小鼠生存时间。
三、炎症性脑疾病成像Li等报道的V&A@Ag₂S纳米探针由Ag₂SQDs、A1094 染料和VCAM1结合肽组成，可特异性响应ONOO⁻，通过能量共振转移实现 “off-on” 模式切换，降低背景荧光信号，提高信噪比，用于创伤性脑损伤早期诊断。
Chen等构建的 Mn/QDSAC用于NIR-Ⅱ荧光成像引导的创伤性脑损伤治疗，Mn以单原子形态分散于Ag₂TeQDs表面，提高荧光强度，具有ROS清除能力和抗炎作用，可监测血脑屏障状态，促进其重建。
Huang等构建的QDs&Fe²⁺@VVesicle可响应ROS/RNS改变 Fe²⁺氧化态和囊泡融合裂变过程调控量子点猝灭水平，实现荧光 “off-on” 可逆切换，降低背景噪声，提高检测灵敏度，有望用于病毒性脑炎动态可视化造影。
四、神经退行性疾病成像Li等构建的Eth-BF荧光探针具有D-A-D结构，发射光谱红移至NIR-Ⅱ区，对环境粘度敏感，可特异性识别Aβ斑块，实现对AD小鼠高灵敏度和分辨率的NIR-Ⅱ荧光成像诊断。
Miao等构建的DMP2荧光探针具有D-π-A结构，对Aβ原纤维亲和力优异，结合后激活NIR-Ⅱ荧光发射，在厚肌肉组织下可检测信号，体外血脑屏障模型实验显示其通透性高，可实现AD模型小鼠脑内Aβ斑块特异性检测，为无创性AD诊断提供潜在探针。
研究总结
基于NIR-Ⅱ荧光成像的独特优势，研究者们致力于开发高质量的NIR-Ⅱ荧光探针，并探索了其在可视化大脑生物过程中的应用。主要聚焦于近些年来不同类型的NIR-Ⅱ荧光探针及其在脑成像应用中的研究进展，重点介绍了金纳米簇、量子点、稀土发光纳米材料、有机小分子和复合型的NIR-Ⅱ荧光探针，并总结了提升其发光强度的策略。同时，探讨了这些NIR-Ⅱ荧光探针在脑血管、脑胶质瘤、炎症性脑疾病和神经退行性疾病中成像诊断的应用性。
研究催生创新成果，开发出多功能的NIR-Ⅱ荧光探针，不仅能够实现成像，还可以同时进行药物递送和治疗效果监测，更结合人工智能技术，对大量的NIR-Ⅱ荧光成像数据进行分析和处理，实现疾病的自动诊断和预测，为脑部疾病的研究和治疗带来新的突破和机遇。
声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：薛东芝, 王樱蕙, 张洪杰. 近红外二区发光材料在脑成像中的研究进展[J]. 发光学报, 2023, 44(7): 1131.