活體近紅外光學成像系統

IN VIVO OPTICAL IMAGING

1.1體內熒光成像系統

基本原理

1. 熒光探針通過尾靜脈注射或者口服的方式進入小動物體內；

2. 激發光源照射小動物，熒光探針發出熒光；

3. 熒光經過濾光片和鏡頭進入檢測器，信號給到電腦進行成像。

1.2體內熒光壽命成像系統

近紅外熒光壽命成像系統

基本原理

1. 基于熒光成像系統，控制激光器與檢測器的時間同步；

2. Labview編程，設置采集參數，進行數據采集；

3. 同時，在Labview軟件上進行數據處理，得到*終壽命成像結果。

2. 光學和性能

檢測器：InAsGa CCD，-55℃，-65℃，-85℃和-190 ℃四款相機可選。配有接口轉接環，方便C口鏡頭隨意切換。

2.1 高靈敏檢測器 CCD參數

* 制冷溫度越低，暗電流越小，靈敏度越高，越適合弱信號的采集

2.2 電腦自動化調焦和移動樣品

相機鏡頭，激發光源和集成模塊

1. 成像視野200mm * 200 mm可調（購買的鏡頭）和20 mm ~ 20 mm可調（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等波長功率可選；

4. 濾光片波長及尺寸可選;

5. 電控調焦及電控移動樣品，更便于操作；

6. 多光束集成裝置，滿足多光源激發和切換。

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，滿足不同成像視野需求。激發光源便捷切換，電動調焦和移動樣品。

2.3 先進的樣品處理裝置

麻醉系統和溫度調節裝置

1. 提供氣體麻醉裝置，可持續長久的麻醉小動物，保持實驗過程中小動物的相對靜止；

2. 控溫平臺保證小動物（特別是裸鼠等）體溫正常，盡量減小實驗室低溫環境對實驗數據的影響。

下圖：配有麻醉裝置、控溫平臺

2.4 多功能一體化數據采集和處理軟件

1. 熒光成像用的是PI的LightFiled軟件 ，可自動或手動獲取圖片；也可以制作成視頻；圖片可疊加強度，也可以取平均強度；可進行TTL調制；與Labview和Matlab等編程軟件無縫連接；

2. 熒光壽命成像用的是自主用編寫的Labview工作界面，具有獨立版權。從采集的參數設置，到焦點調節，以及*后壽命成像的數據處理，閾值調整等，皆可實現。

3. 所有結果都可以后期用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

★應用案例 1近紅外成像指導外科手術

利用該熒光成像系統和相應的近紅外二區發射的熒光探針，實現對小鼠的近紅外成像指導的外科手術?？勺R別并切除 <1 mm的腫瘤。

探針材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激發光源：808 nm laser

參考文獻：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和目標多肽，可在腫瘤位置持久停留（長達6h），對其進行光學成像，利于卵巢癌轉移瘤切除的外科手術。

下圖：對比于近紅外一區發射的熒光探針（ICG），1060 nm發射的稀土納米顆粒，具有更高的光學穩定性和更深的模擬組織穿透深度。

★應用案例 2活體腸胃藥物釋放監控

利用該熒光成像系統和巧妙設計的競爭吸收近紅外發射熒光探針，實現對活體的腸胃藥物釋放過程的實時動態監控，并進行半定量的檢測。

探針材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激發光源：808 nm laser.

參考文獻： 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， SSPI分散開來，染料及藥物釋放出來，730 nm激發載體，再次發射出1060 nm的熒光。根據熒光強度的恢復大小定量藥物的釋放量。808 nm激發用于跟蹤藥物。

下圖：合成材料的電鏡圖設計微米尺寸載體：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激發產生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激發下，無法產生1060 nm發射。載體表面有pH響應SSPI用于保護介孔通道中的染料不會釋放出去。

★應用案例 3：活體炎癥成像和檢測

利用該熒光成像系統和炎癥響應性的近紅外二區探針，可以實現活體中活性氧物種的高信噪比成像和高精確性的檢測。

探針材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激發光源：808 nm laser.

參考文獻：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源性的物種GSH，GSH遇到活性氧之后，會發生偶聯反應，誘發納米顆粒聚集。達到點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，發生強烈的偶聯反應，形成二硫鍵，導致顆粒聚集。

★應用案例 4：活體深組織成像監控心率

近紅外二區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，可以對活體心率進行準確的監控和測試。

探針材料：FD-1080

激發光源：1064 nm laser.

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

下圖：**設計合成近紅外二區激發和發射的小分子探針，相對于ICG，該探針具有更高的穩定性

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

★應用案例 5：評估臨床藥物的療效

臨床前藥物的藥理評估對藥物的推廣和療效評價非常重要。利用近紅外活體熒光成像系統實現對降血壓藥物的動力學藥理評估和監控。

探針材料：FD-1080 and DMPC

激發光源：1064 nm laser.

參考文獻：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，染料的吸收和發射主峰都紅移到1300 nm之后。實現有機染料的長波長激發和發射。

下圖：波長越長，光子的散射越小，通過體外實驗，對比不同成像窗口，發現1500nm之后成像的分辨率**。

★應用案例 6：活體胃酸檢測

設計高亮的抗淬滅長波長發射有機探針，利用其pH相應的特性，通過比例熒光實現對胃酸的高精確檢測。

探針材料：BTC系列探針

激發光源：1064 nm laser.

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

下圖：以腈染料為基礎進行改造，可以得到具有很強抗溶劑淬滅的系列BTC染料。該染料的激發/發射波長主峰可以達到近紅外二區。同時，由于其抗淬滅性質，使其具有很強的熒光強度，光穩定性也遠優于ICG。

下圖：對比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。

★應用案例7：監控藥物的肝毒性

設計長波長且可調的系列近紅外探針，利用比例熒光對藥物誘導的肝毒性進行定量實時的檢測。

探針材料：BTC系列探針

激發光源：1064 nm laser.

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

★應用案例8：腫瘤檢測

稀土離子的熒光壽命非常穩定，幾乎不受外界環境的干擾，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對生物標志物進行檢測，具有極高的穩定性和準確性。

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

激發光源：808 nm laser.

參考文獻：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.

★應用案例9：活體信息存儲和解析

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，得到活體信息存儲和解碼的過程。更多的熒光壽命，實現更大的信息存儲。

探針材料：NaYF4:Tm，Er@NaYF4

激發光源：1208 nmlaser.

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

參考文獻

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.