用于多功能生物医学成像的近红外II荧光团最新进展

Feng Ding,dagger;a Yibei Zhan,dagger;b Xiaoju Ludagger;b and Yao Sun *a

近年来，由于临床影像清晰度和活体深度不能满足早期诊断和预后的要求，积极探索具有较高生物成像性能的新型成像方式。第二近红外区(NIR-II, 1000-1700 nm)的研究进展显著促进了生物医学成像技术的发展。在基础研究中，NIR-II荧光成像具有许多优于传统的和NIR-I (400-900 nm)成像方式的优点，如减少光子散射、自荧光和提高穿透深度。功能探针的即时和精确的反馈体内信息是这一模式的核心，为了高超的成像。在此，我们综述了近年来发展起来的碳纳米管、有机小分子、量子点、共轭聚合物和稀土掺杂材料等荧光团，以展示NIR-II区域(1000-1700纳米)优越的生物医学成像功能。

现代生物医学成像技术是临床诊断和治疗评估中必不可少的工具，允许对活体受试者中与人类疾病相关的病理和生理事件进行无创，高度敏感和特异性观察。在过去的几十年中，各种成像方式，如荧光成像（FI），光声成像（PI），正电子发射断层扫描（PET）和磁共振成像（MRI），结合有希望的探针，已经很好的在临床和临床实践中发展并大大加快了生物成像的繁荣。在这些模式中，第一近红外区域（NIR-I; 700-900 nm，图1a）的荧光成像因其高灵敏度，快速反馈，无危害辐射，低成本等等而在生物医学研究中受到了广泛关注。例如，利用合理设计策略的NIR-I荧光团已广泛用于生物医学应用，例如准确的实时前哨淋巴结/肿瘤描绘，以及术中图像引导的手术切除前哨淋巴结/肿瘤组织。与具有可见波长的那些相比，具有NIR-1区域中的发射的荧光团可以实现更深的穿透和优异的成像质量。

此外，最近的研究表明，在第二近红外区域（NIR-II，1000-1700nm）的荧光成像可以提供比在NIR-1区域更好的荧光图像质量和信号背景比（SBR）。在成像时间和空间分辨率显著改进（约20毫秒，约25毫米），穿透深度（最多至〜3厘米）已经通过在生物医学成像这种创新的NIR-II区域实现，由于减少的散射，可以忽略不计的组织吸收和最小自发荧光（图1b和c）。体内NIR-II荧光成像的开创性工作始于碳纳米管的利用。从那时起，其他几种可用的荧光团，包括小有机染料，量子点共轭聚合物和稀土掺杂纳米粒子，也被积极地用于 NIR-II生物医学成像。本文旨在介绍最近报道的NIR-II荧光团，并重点介绍其在NIR-II区域的多功能生物医学应用。

图1 (a) 荧光成像的波长; (b) 对于包括皮肤（黑色），脑组织（绿色），头骨（蓝色）和皮下组织在内的各种组织类型，降低的散射系数ms被绘制为400-1700nm范围内波长的函数（ 红色）. (c) 离体小鼠肝脏，脾脏和心脏组织的自发荧光光谱。

用于NIR-II成像的单壁碳纳米管

单壁碳纳米管（SWCNT）的小尺寸和独特结构决定了它们有前途的机械，电子，物理和化学性质。这不断促使他们发现他们在各种科学领域的潜力，特别是在生物医学成像领域。 SWCNT是准1-D量子线，在van Hove奇点处具有尖锐的电子态密度（电子DOS），具有吸引人的光学特征。SWCNT的独特带隙和大的斯托克位移使其成为生物成像的荧光团的理想候选者。SWCNT通常吸收NIR-I区域（700-900 nm）的光子并发出800 nm至2000 nm范围内的荧光，这些荧光主要属于NIR-II区域（1000-1700 nm），可实现深层组织穿透和高空间分辨率荧光成像。然而，SWCNT不受溶解性差和生物相容性问题的影响，这也是限制疏水性SWCNT在生物成像中的直接使用的原因。 为了解决这些问题，已经使用几种化学方法，包括非共价和共价表面修饰，来使SWCNT的表面功能化。尽管共价修饰策略已被许多组广泛采用以改善SWCNT的溶解度和生物相容性，但这总是损害共轭p网络并引起表面缺陷，这导致弱的荧光成像性能和降低的荧光量子产率。 非共价修饰策略意味着可以避免对SWCNT的结构和NIR-II荧光特性的臭名昭着的干扰。 然而，诸如聚乙二醇化的非共价方法通常会引起量子产率（QY）的大幅折扣。 特别是，Dai的研究小组通过将SWCNT分散在胆酸钠中，为SWCNT提供了溶解性，生物相容性和高QY用于多种生物应用的关键性突破。随后用磷脂 - 聚乙二醇（PL-PEG）置换分散介质。

因此，由于其高光稳定性和良好的生物相容性，功能化的SWCNT被报道为用于细胞NIR-II成像的有希望的荧光团。细胞NIR-II荧光成像不仅可以跟踪细胞内SWCNT的分布，还可以观察SWCNT与生物分子之间的相互作用。 基于这些先前的研究，Dai的研究小组通过聚乙二醇化SWCNT与Herceptin的结合，证明了BT-474细胞成像的肿瘤特异性靶HER2受体的实例。在此之后，Dai的小组还将SWCNT用作第一代NIR-II荧光团，用于活体物体的体内荧光成像，这开启了使用SWCNT可视化血管网络的可能性，具有更深的组织穿透性和更高的时间和空间分辨率。NIR-II区域（lt;300 ms，~10 mm）。 随着明亮的荧光和生物相容性SWCNT的发展，许多应用已经实现了诸如血流动力学的高性能成像，全身血液循环和淋巴系统的跟踪以及肿瘤手术的指导等。尽管这些有利的结果，由于受到厚厚的头骨的阻碍，高分辨率和小血管的快速反馈成像和大脑中的动态血流仍然是当前成像模式的巨大挑战。幸运的是，大直径的单壁碳纳米管的发现和过渡转移到在NIR-IIB窗口（1500-1700纳米）更长的波长可以提供可忽略的散射的明确优势，零内源性组织自发荧光和无可比拟的组织成像 深度.Dai的研究小组最近通过注射SWCNT，在NIR-IIb区域通过C57B1 / 6小鼠的完整头皮和颅骨评估了~3 mm深度的无创荧光成像。与不明显的脑血管结构相比较。 NIR-I和NIR-II区域，在脑成像中显示的NIR-IIb区域具有更高保真度和更高SBR的更清晰的脑毛细血管暗示了未来诊断和监测脑疾病的巨大潜力（图2）。同时，还探索了NIR-II脑成像，以通过脑动脉闭塞（MCAO）中风模型确定健康大脑和大脑之间的血流动力学差异。 NIR-II图像显然显示荧光信号显着降低了与大脑动脉相关的小鼠左脑半球的皮质血液灌注，而正常小鼠则完整（图3a-i）。然而，目前合成用于生物成像的SWCNT通常涉及各种手性，并且它们中的每一个对应于不同的激发和发射波长，并且激光激发的SWCNT的可用性降低削弱了荧光强度。虽然介电电泳，密度梯度离心，DNA包裹色谱和凝胶过滤积极应用于分离混合手性SWCNTs，仍有空间实现最大分离效率，使用SWCNT的NIR-II荧光成像已经表明生物医学成像具有巨大的优势，超过了其他传统的成像技术。未来的基础研究应侧重于增加QY和纯化SWCNTS的手性以增强荧光强度并获得多重NIR-II荧光成像。作为NIR-II荧光团的第一个，SWCNTs在体外和体内生物成像中的应用刺激了在NIR-II区域寻找其他无机和有机物质。