活體近紅外光學(xué)成像系統(tǒng)

IN VIVO OPTICAL IMAGING

1.1體內(nèi)熒光成像系統(tǒng)

基本原理

1. 熒光探針通過(guò)尾靜脈注射或者口服的方式進(jìn)入小動(dòng)物體內(nèi)；

2. 激發(fā)光源照射小動(dòng)物，熒光探針發(fā)出熒光；

3. 熒光經(jīng)過(guò)濾光片和鏡頭進(jìn)入檢測(cè)器，信號(hào)給到電腦進(jìn)行成像。

1.2體內(nèi)熒光壽命成像系統(tǒng)

近紅外熒光壽命成像系統(tǒng)

基本原理

1. 基于熒光成像系統(tǒng)，控制激光器與檢測(cè)器的時(shí)間同步；

2. Labview編程，設(shè)置采集參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

3. 同時(shí)，在Labview軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到最終壽命成像結(jié)果。

2. 光學(xué)和性能

檢測(cè)器：InAsGa CCD，-55℃，-65℃，-85℃和-190 ℃四款相機(jī)可選。配有接口轉(zhuǎn)接環(huán)，方便C頭隨意切換。

2.1 高靈敏檢測(cè)器 CCD參數(shù)

* 制冷溫度越低，暗電流越小，靈敏度越高，越適合弱信號(hào)的采集

2.2 電腦自動(dòng)化調(diào)焦和移動(dòng)樣品

相機(jī)鏡頭，激發(fā)光源和集成模塊

1. 成像視野200mm * 200 mm可調(diào)（購(gòu)買(mǎi)的鏡頭）和20 mm ~ 20 mm可調(diào)（自制的鏡頭）；

2. 高透波段900 nm ~ 1700 nm;

3. 激光器808 nm，980 nm及1064     nm等波長(zhǎng)功率可選；

4. 濾光片波長(zhǎng)及尺寸可選;

5. 電控調(diào)焦及電控移動(dòng)樣品，更便于操作；

6. 多光束集成裝置，滿(mǎn)足多光源激發(fā)和切換。

下圖：不同熒光波段下，活體腿部血管的成像效果。

下圖：雙鏡頭切換使用，滿(mǎn)足不同成像視野需求。激發(fā)光源便捷切換，電動(dòng)調(diào)焦和移動(dòng)樣品。

2.3 *的樣品處理裝置

和溫度調(diào)節(jié)裝置

1. 提供氣體麻醉裝置，可持續(xù)長(zhǎng)久的麻醉小動(dòng)物，保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小動(dòng)物的相對(duì)靜止；

2. 控溫平臺(tái)保證小動(dòng)物（特別是裸鼠等）體溫正常，盡量減小實(shí)驗(yàn)室低溫環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

下圖：配有麻醉裝置、控溫平臺(tái)

2.4 多功能一體化數(shù)據(jù)采集和處理軟件

1. 熒光成像用的是PI的LightFiled軟件 ，可自動(dòng)或手動(dòng)獲取圖片；也可以制作成視頻；圖片可疊加強(qiáng)度，也可以取平均強(qiáng)度；可進(jìn)行TTL調(diào)制；與Labview和Matlab等編程軟件無(wú)縫連接；

2. 熒光壽命成像用的是自主用編寫(xiě)的Labview工作界面，具有獨(dú)立版權(quán)。從采集的參數(shù)設(shè)置，到焦點(diǎn)調(diào)節(jié)，以及最后壽命成像的數(shù)據(jù)處理，閾值調(diào)整等，皆可實(shí)現(xiàn)。

3. 所有結(jié)果都可以后期用Matlab處理了。

下圖：熒光成像使用LightFiled

下圖：熒光壽命成像使用Labview

3. 基于熒光成像的研究案例

★應(yīng)用案例 1近紅外成像指導(dǎo)

利用該熒光成像系統(tǒng)和相應(yīng)的近紅外二區(qū)發(fā)射的熒光探針，實(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠的近紅外成像指導(dǎo)的。可識(shí)別并切除 <1 mm的腫瘤。

探針材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激發(fā)光源：808 nm laser

參考文獻(xiàn)：Wang, P.; Fan, Y.; Lu, L.; Liu, L.;Fan, L.; Zhao, M.; Xie, Y.; Xu, C.; Zhang, F., Nat. Commun. 2018,9 (1), 2898.

下圖：DCNPs稀土納米顆粒表面修飾DNA和目標(biāo)多肽，可在腫瘤位置持久停留（長(zhǎng)達(dá)6h），對(duì)其進(jìn)行光學(xué)成像，利于卵巢癌轉(zhuǎn)移瘤切除的。

下圖：對(duì)比于近紅外一區(qū)發(fā)射的熒光探針（ICG），1060 nm發(fā)射的稀土納米顆粒，具有更高的光學(xué)穩(wěn)定性和更深的模擬組織穿透深度。

★應(yīng)用案例 2活體腸胃藥物釋放監(jiān)控

利用該熒光成像系統(tǒng)和巧妙設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)吸收近紅外發(fā)射熒光探針，實(shí)現(xiàn)對(duì)活體的腸胃藥物釋放過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并進(jìn)行半定量的檢測(cè)。

探針材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激發(fā)光源：808 nm laser.

參考文獻(xiàn)： Wang, R.; Zhou, L.; Wang, W.; Li, X.;Zhang, F., Nat. Commun. 2017, 8 (1), 1038.

下圖：在pH大于等于8時(shí)， SSPI分散開(kāi)來(lái)，染料及藥物釋放出來(lái)，730 nm激發(fā)載體，再次發(fā)射出1060 nm的熒光。根據(jù)熒光強(qiáng)度的恢復(fù)大小定量藥物的釋放量。808 nm激發(fā)用于跟蹤藥物。

下圖：合成材料的電鏡圖設(shè)計(jì)微米尺寸載體：稀土納米顆粒靜電吸附于表面，介孔通道中載有連接藥物的NPTAT染料。稀土顆?？梢员?30 nm和808 nm激發(fā)產(chǎn)生1060 nm的熒光，染料在730 nm處也有吸收。由于染料具有極大的吸收截面，微米載體在730 nm激發(fā)下，無(wú)法產(chǎn)生1060 nm發(fā)射。載體表面有pH響應(yīng)SSPI用于保護(hù)介孔通道中的染料不會(huì)釋放出去。

★應(yīng)用案例 3：活體炎癥成像和檢測(cè)

利用該熒光成像系統(tǒng)和炎癥響應(yīng)性的近紅外二區(qū)探針，可以實(shí)現(xiàn)活體中活性氧物種的高信噪比成像和高精確性的檢測(cè)。

探針材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激發(fā)光源：808 nm laser.

參考文獻(xiàn)：Zhao, M.; Wang, R.; Li, B.; Fan, Y.;Wu, Y.; Zhu, X.; Zhang, F., Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 58, 2050-5054.

下圖：DCNPs稀土納米顆粒表面修飾生物內(nèi)源性的物種GSH，GSH遇到活性氧之后，會(huì)發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，誘發(fā)納米顆粒聚集。達(dá)到點(diǎn)亮活性氧富集的部位。

下圖：透射電鏡表征單分散納米顆粒在體外遇到活性氧，發(fā)生強(qiáng)烈的偶聯(lián)反應(yīng)，形成二硫鍵，導(dǎo)致顆粒聚集。

★應(yīng)用案例 4：活體深組織成像監(jiān)控心率

近紅外二區(qū)成像得到更高分辨率的血管成像；更高的成像分辨率和更深組織穿透深度，可以對(duì)活體心率進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)控和測(cè)試。

探針材料：FD-1080

激發(fā)光源：1064 nm laser.

參考文獻(xiàn)：Li, B.; Lu, L.; Zhao, M.; Lei, Z.;Zhang, F., Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57 (25), 7483-7487.

下圖：設(shè)計(jì)合成近紅外二區(qū)激發(fā)和發(fā)射的小分子探針，相對(duì)于ICG，該探針具有更高的穩(wěn)定性

下圖：由于長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光具有低的散射，從體外成像深度和分辨率的結(jié)果看，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，成像的穿透深度和分辨率越高。

★應(yīng)用案例 5：評(píng)估臨床前藥物的療效

臨床前藥物的藥理評(píng)估對(duì)藥物的推廣和療效評(píng)價(jià)非常重要。利用近紅外活體熒光成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)降血壓藥物的動(dòng)力學(xué)藥理評(píng)估和監(jiān)控。

探針材料：FD-1080 and DMPC

激發(fā)光源：1064 nm laser.

參考文獻(xiàn)：Sun, C.; Li, B.; Zhao, M.; Wang, S.;Lei, Z.; Lu, L.; Zhang, H.; Feng, L.; Dou, C.; Yin, D.; Xu, H.; Cheng, Y.;Zhang, F., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141 (49), 19221-19225.

下圖：FD-1080與DMPC混合重組裝，形成J聚集體，染料的吸收和發(fā)射主峰都紅移到1300 nm之后。實(shí)現(xiàn)有機(jī)染料的長(zhǎng)波長(zhǎng)激發(fā)和發(fā)射。

下圖：波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光子的散射越小，通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同成像窗口，發(fā)現(xiàn)1500nm之后成像的分辨率。

★應(yīng)用案例 6：活體胃酸檢測(cè)

設(shè)計(jì)高亮的抗淬滅長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射有機(jī)探針，利用其pH相應(yīng)的特性，通過(guò)比例熒光實(shí)現(xiàn)對(duì)胃酸的高精確檢測(cè)。

探針材料：BTC系列探針

激發(fā)光源：1064 nm laser.

參考文獻(xiàn)： Wang, S.; Fan, Y.; Li, D.; Sun, C.;Lei, Z.; Lu, L.; Wang, T.; Zhang, F., Nat. Commun. 2019, 10 (1), 1058.

下圖：以腈染料為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，可以得到具有很強(qiáng)抗溶劑淬滅的系列BTC染料。該染料的激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)主峰可以達(dá)到近紅外二區(qū)。同時(shí)，由于其抗淬滅性質(zhì)，使其具有很強(qiáng)的熒光強(qiáng)度，光穩(wěn)定性也遠(yuǎn)優(yōu)于ICG。

下圖：對(duì)比ICG的成像效果，BTC1070具有高分辨和高信噪比的腿部血管和淋巴成像。

★應(yīng)用案例7：監(jiān)控藥物的肝毒性

設(shè)計(jì)長(zhǎng)波長(zhǎng)且可調(diào)的系列近紅外探針，利用比例熒光對(duì)藥物誘導(dǎo)的肝毒性進(jìn)行定量實(shí)時(shí)的檢測(cè)。

探針材料：BTC系列探針

激發(fā)光源：1064 nm laser.

參考文獻(xiàn)： Lei, Z.; Sun, C.; Pei, P.; Wang, S.;Li, D.; Zhang, X.; Zhang, F.,. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58 (24), 8166-8171.

★應(yīng)用案例8：腫瘤檢測(cè)

稀土離子的熒光壽命非常穩(wěn)定，幾乎不受外界環(huán)境的干擾，也不隨活體組織的穿透深度而變化，因此利用熒光壽命成像系統(tǒng)對(duì)生物標(biāo)志物進(jìn)行檢測(cè)，具有的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

探針材料：NaGdF4@NaGdF4:Yb,Er@ NaGdF4 :Yb@ NaGdF4 :Nd

激發(fā)光源：808 nm laser.

參考文獻(xiàn)：Fan, Y.;Wang, P.; Lu, Y.; Wang, R.; Zhou, L.; Zheng, X.; Li, X.; Piper, J. A.; Zhang,F., Nat. Nanotechnol. 2018, 13 (10), 941-946.

★應(yīng)用案例9：活體信息存儲(chǔ)和解析

將不同熒光壽命的材料編輯成二維碼，空間上重疊植入到活體皮下。熒光成像無(wú)法解析出二維碼信息，熒光壽命成像可以將兩種不同熒光壽命的二維碼解析出來(lái)，得到活體信息存儲(chǔ)和解碼的過(guò)程。更多的熒光壽命，實(shí)現(xiàn)更大的信息存儲(chǔ)。

探針材料：NaYF4:Tm,Er@NaYF4

激發(fā)光源：1208 nmlaser.

參考文獻(xiàn)： Zhang, H.X.; Fan, Y.; Pei, P.; Sun, C. X.; Lu, L. F.; Zhang, F., Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58 (30), 10153-10157.

注：該儀器僅用于臨床前科研實(shí)驗(yàn)

參考文獻(xiàn)

1. Wang, P.;Fan, Y.; Lu, L.; Liu, L.; Fan, L.; Zhao, M.; Xie, Y.; Xu, C.; Zhang, F., Nat.Commun. 2018, 9 (1), 2898.

2. Zhao, M.;Wang, R.; Li, B.; Fan, Y.; Wu, Y.; Zhu, X.; Zhang, F., Angew. Chem. Int. Ed.2018, 58, 2050-5054.

3. Li, B.; Lu,L.; Zhao, M.; Lei, Z.; Zhang, F., Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57(25), 7483-7487.

4. Sun, C.; Li,B.; Zhao, M.; Wang, S.; Lei, Z.; Lu, L.; Zhang, H.; Feng, L.; Dou, C.; Yin, D.;Xu, H.; Cheng, Y.; Zhang, F., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141(49), 19221-19225.

5. Fan, Y.;Wang, P.; Lu, Y.; Wang, R.; Zhou, L.; Zheng, X.; Li, X.; Piper, J. A.; Zhang,F., Nat. Nanotechnol. 2018, 13 (10), 941-946.

6. Zhang, H. X.;Fan, Y.; Pei, P.; Sun, C. X.; Lu, L. F.; Zhang, F., Angew. Chem. Int. Ed. 2019,58 (30), 10153-10157.

7. Antaris, A.L.; Chen, H.; Cheng, K.; Sun, Y.; Hong, G.; Qu, C.; Diao, S.; Deng, Z.; Hu, X.;Zhang, B.; Zhang, X.; Yaghi, O. K.; Alamparambil, Z. R.; Hong, X.; Cheng, Z.;Dai, H., Nat. Mater. 2016, 15 (2), 235-42.

8. Hong, G.;Antaris, A. L.; Dai, H., Nat. Biomed. Eng. 2017, 1 (1),0010.

9. Wang, R.; Li,X.; Zhou, L.; Zhang, F., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53(45), 12086-90.

10. Liu, L.; Wang,S.; Zhao, B.; Pei, P.; Fan, Y.; Li, X.; Zhang, F., Angew. Chem. Int. Ed. 2018,57 (25), 7518-7522.

11. Wang, S.;Fan, Y.; Li, D.; Sun, C.; Lei, Z.; Lu, L.; Wang, T.; Zhang, F., Nat. Commun.2019, 10 (1), 1058.

12. Wang, R.;Zhou, L.; Wang, W.; Li, X.; Zhang, F., Nat. Commun. 2017, 8(1), 1038.