纳米荧光探针：在体肿瘤血管成像新突破
2025-06-09 来源:本站 点击次数:145研究背景与技术挑战
近红外二区成像技术的优势与局限
近红外成像技术在生物医学领域具有重要的应用前景，尤其是在近红外二区区域（1000-1700nm），其深组织穿透能力和低光散射特性使其在活体成像中具有显著优势。与传统的可见光和近红外一区（NIR-I）成像相比，近红外二区成像能够显著减少生物组织的自荧光干扰，降低光散射，从而提高成像深度和分辨率。然而，现有的近红外二区成像探针在亮度和光稳定性方面仍存在诸多挑战，限制了其在生物医学成像中的应用效果。
纳米荧光探针的潜力与挑战
纳米荧光探针因其在近红外二区区域的发光特性而备受关注。这些纳米颗粒通过掺杂特定的稀土离子（如Er³⁺、Yb³⁺等），能够在近红外二区区域发出特定波长的光，从而实现深组织成像。然而，纳米荧光探针也存在一些固有缺陷，例如低消光系数、窄激发光谱以及在水环境中易猝灭等问题，这些问题限制了其在活体成像中的应用效果。此外，纳米荧光探针的发光效率和光稳定性不足，使得在活体成像中难以实现长时间、高分辨率的成像。
研究目标与创新方向
为了克服这些挑战，研究人员一直在探索新的材料和技术，以提高近红外二区成像的性能。新型染料敏化的洋葱状Nd掺杂稀土纳米荧光探针（Nd-RENP），正是为了解决这些技术难题而设计的。通过独特的结构设计和材料组合，该纳米荧光探针在近红外二区成像中展现出显著的亮度提升和光稳定性增强，为生物医学成像提供了一种新的解决方案。
技术创新与应用
洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针的设计原理
新型的洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针通过巧妙的结构设计和材料选择，实现了在近红外二区成像中的性能突破。该纳米荧光探针的核心是由掺杂了Yb³⁺、Er³⁺和Ce³⁺的NaYF₄纳米颗粒组成，通过多层壳结构的包裹，形成了类似洋葱的多层结构。这种结构不仅提高了能量传递效率，还显著减少了表面猝灭现象，从而增强了近红外二区区域的发光强度。此外，通过在纳米荧光探针的最外层包裹一层含有IR783染料的胶束层，进一步提高了纳米荧光探针的光稳定性和发光效率。
这种染料敏化策略不仅提高了纳米荧光探针的亮度，还通过减少光漂白现象，延长了成像时间。实验结果表明，洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针在1525nm处展现出显著增强的近红外二区发光强度，且随着壳层数量的增加，发光强度逐渐增强。这表明多层壳结构有效地提高了能量传递效率和减少了表面猝灭。此外，IR783染料的加入进一步增强了纳米荧光探针的光稳定性，使其在长时间成像中表现出色。
实际应用中的潜力
在实际应用中，这种新型纳米荧光探针展现出了巨大的潜力。在活体成像实验中，与传统的近红外二区染料相比，洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针能够实现高达75倍的亮度提升和9倍的光稳定性增强。这些特性使得该纳米荧光探针能够在超过一小时的时间内保持高分辨率的成像能力，为动态血管成像和肿瘤靶向成像提供了可能。此外，该纳米荧光探针还支持成功的三维成像重建，为生物组织的详细结构分析提供了有力工具。这种创新的纳米荧光探针不仅在技术上取得了突破，更为未来的生物医学成像技术发展提供了新的方向。其在提高成像亮度和光稳定性方面的显著优势，使其有望在临床诊断和疾病监测中发挥重要作用，尤其是在需要高分辨率和长时间监测的领域。
成像实验与结果分析
实验设计与方法
为了验证新型洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针的成像性能，研究人员进行了一系列的实验。实验设计包括纳米荧光探针的合成与表征、光学性能测试、体外细胞实验以及体内成像实验。通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对纳米荧光探针的结构和表面特性进行了详细的表征。光学性能测试则通过光致发光光谱（PL）和时间分辨荧光衰减测量来评估纳米荧光探针的发光效率和光稳定性。
实验结果表明，洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针具有良好的晶体结构和均匀的多层壳结构。TEM图像显示，纳米荧光探针的尺寸随着壳层数量的增加而逐渐增大，从核心的15nm逐渐增加到三层壳结构的27nm。XRD结果进一步确认了纳米荧光探针的晶体结构与标准的β-NaYF₄一致，表明多层壳结构的包裹并未改变其基本的晶体特性。光学性能测试结果显示，纳米荧光探针在1525nm处展现出显著增强的近红外二区发光强度，且随着壳层数量的增加，发光强度逐渐增强。这表明多层壳结构有效地提高了能量传递效率和减少了表面猝灭。
体外细胞实验与体内成像实验
在体外细胞实验中，研究人员通过细胞毒性测试评估了纳米荧光探针的生物相容性。结果显示，洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针具有良好的生物相容性，细胞存活率超过90%，表明其在生物医学应用中具有较高的安全性。在体内成像实验中，研究人员通过将纳米荧光探针注射到小鼠体内，观察其在血管和肿瘤组织中的分布和成像效果。洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针能够在体内实现长时间的高分辨率成像。与传统的近红外二区染料相比，该纳米荧光探针在体内成像中展现出更高的亮度和光稳定性。在长达一小时的成像过程中，纳米荧光探针能够保持清晰的血管和肿瘤图像，为动态监测提供了可能。此外，通过三维成像重建技术，研究人员还成功地重建了生物组织的三维结构，进一步证明了该纳米荧光探针在复杂生物组织成像中的应用潜力。
使用不同长波通拟合器对小鼠模型中血管结构的NIR-l成像
时间依赖性NIR-IIb成像
总结与展望
新型洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针的出现，不仅为近红外二区成像技术的发展提供了新的思路，也为生物医学成像领域带来了新的希望。其在提高成像亮度和光稳定性方面的显著优势，使其有望在临床诊断和疾病监测中发挥重要作用，尤其是在需要高分辨率和长时间监测的领域。未来，随着技术的进一步完善和应用的不断拓展，洋葱状Nd-RENP纳米荧光探针有望成为生物医学成像领域的重要工具，为疾病的早期诊断、精准治疗和疗效评估提供有力支持。
声明：本文仅用作学术目的。
Lin SL, Su SP, Yang YZ, Chiang CY, Chi HY, Chang CA, Liu TY, Chiang HK. Enhanced brightness and photostability of dye-sensitized Nd-doped rare earth nanocomposite for in vivo NIR-IIb vascular and orthotopic tumor imaging. J Nanobiotechnology. 2025 Feb 7;23(1):91.
DOI: 10.1186/s12951-025-03145-z.