近红外II光谱区进行体内荧光成像用于早期癌症检测

　　图1：近红外I与近红外II：分辨率与穿透深度。图片和图表由斯坦福大学Dominik J. Naczynski博士提供，改编自Lim， Y.T.等人《Mol成像》。(2003)第2页，第50页。随着全球许多研究团队正在开发和评估适合小动物成像的新型NIR-II探针，科学家们现在开始更多地关注疾病检测、形态学和药物检测在人体患者的临床应用。

　　介绍

　　紫外线、可见光和近红外I检测方法已在各种科学和医学领域使用数十年。然而，这些方法各有局限性。例如，紫外和可见光波长的光通过硅基CCD技术很容易被检测，但由于反射和散射，无法穿透样品。

　　新型CCD相机能够探测从750纳米到近1100纳米的近红外-I波长，从而实现对样品的轻微穿透。不幸的是，超过这个阈值硅对光是透明的。此类CCD摄像机在药物发现应用中的应用有限。

　　近红外二窗波长范围可达1700纳米，实现了更深的样品穿透(见图1)。在InGaAs和InSb探测器的推动下，近红外II(又称短波红外或SWIR)开辟了科学和医学应用的新领域。

　　图1：近红外I与近红外II：分辨率与穿透深度。图片和图表由斯坦福大学Dominik J. Naczynski博士提供，改编自Lim， Y.T.等人《Mol成像》。(2003)第2页，第50页。随着全球许多研究团队正在开发和评估适合小动物成像的新型NIR-II探针，科学家们现在开始更多地关注疾病检测、形态学和药物检测在人体患者的临床应用。

　　NIR-II 荧光内镜用于结直肠癌成像

　　最近，中美两国的一支多学科合作研究团队设计、构建并描述了一种内镜系统，用于对结直肠癌进行靶向红外II荧光成像[1]。团队利用新型NIR-II内镜成像系统评估合成荧光分子探针——哆氰酸绿色(ICG)结合贝伐单抗(Bev-ICG)，该探针靶向血管内皮生长因子(VEGF)，这是一种在大多数结直肠癌中过度表达的重要生物标志物。

　　该研究由辽宁沈阳东北大学分子医学联合实验室刘洪光博士的研究组主导，部分资金来自中国自然科学基金会、辽宁省级医院临床能力建设项目及中国博士后科学基金资助。

　　研究人员指出，虽然内镜是检查中空器官或体腔内部的临床金标准，但他们是首个报告使用近红外II荧光内镜进行结直肠癌靶向检测的专家。其创新的内镜成像系统能够同时获取和显示白光(WL)和近红外二型荧光，在近红外二区实现20微米的亚细胞分辨率，实现清晰图像。使用Teledyne Princeton Instruments的科学InGaAs相机进行结直肠肿瘤生物标志物的实时、非侵入性体内近红外II成像(见图2)。

　　图2：代表性肿瘤的同时进行白光和荧光图像。(a， b)白细胞中可见的肿瘤荧光明显增加。(c， d) 代表性肿瘤图像，这些图像在白光影像中容易被忽略，但在荧光成像中却很明显。图片由刘洪光博士提供(东北大学分子医学联合实验室，辽宁沈阳，中国)。首次发表于Adv.Healthcare Mater。2019, 1900974.

　　与使用可见光激发的近红外I型荧光成像不同，近红外II荧光成像的激发波长通常处于(不可见的)近红外I范围。因此，传统的内镜成像过程无需中断即可收集NIR-II荧光数据。NIR-II荧光图像可以与白光成像同步生成和显示，使研究人员能够实时通过荧光探针可视化组织形态和分子特征。未来利用具有更强荧光发射的分子探针应用于NIR-II区域，预计将进一步提升NIR-II内镜系统的组织特性识别灵敏度。

　　从设计上讲，新系统可以轻松适应配备标准联结器的内窥镜系统。研究人员预计，类似的硬件升级将极大促进近红外II荧光成像在临床环境中的应用。

　　循环系统和骨骼系统的近红外二型荧光成像

　　郑振博士是斯坦福大学放射学副教授，是上述NIR-II内镜系统合作研究团队成员。程博士在斯坦福的实验室致力于开发新型分子成像探针和技术，实现癌症及其转移早期的无创检测。

　　Cheng博士研究开发的技术使得对癌症的分子、代谢和生理特征及其治疗反应进行了深入考察。他的实验室鉴定了具有重要临床意义的新型癌症生物标志物，开发探针制备的新化学方法，并验证了利用近红外II荧光成像进行高通量探针筛选的新策略[2-6]。

　　在最近的一项项目中，程博士及其同事对循环系统进行了体内成像，比较了实验室设计并装载生物相容性人类血清白蛋白(HSA)以提升量子产率的多种近红外二型有机小分子探针CQ-T(CQ-1-4T)。实验记录了发射光谱、量子产率以及使用Teledyne普林斯顿仪器的InGaAs相机的体内近红外II图像(见图3)。

　　图3：体内肿瘤血管网络的体内近红外II成像及手术导航。(A-C)在体内对患有异种移植骨肉瘤的裸小鼠进行体内NIR-II荧光成像，分别在静脉注射CQL后10分钟内记录。(d)高倍率(c)和红色箭头显示了丰富的不规则分支和肿瘤支持血管的毛细血管网络。(e， f)使用了患有股骨正位骨肉瘤的裸鼠，并在CQL注射后不久切开肿瘤周围皮肤。肿瘤血液供应分支(红箭头)从股动脉暴露。(G-J)采用血管夹法，通过结扎和切除肿瘤支持血管分支，诱导主要肿瘤支持血管的暂时阻断。黄色箭头表示血管夹具引起的栓塞。(k)肿瘤转移的血液供应，源自腹动脉(红色箭头)及血管夹诱导栓塞(黄色箭头)。(l)结扎和解离的正位骨肉瘤及转移的体外NIR-II影像。比例杆：4.0毫米。图片由斯坦福大学郑郑博士提供。首次发表于《Adv. Funct》杂志。Mater。2019, 1906343.

　　在评估的探针系列中，研究人员发现了一种CQL(CQ-4T/HSA)，其光学性能优越，荧光率比单纯小分子高出6.65倍。配合无创、非辐射的近红外II成像方式，CQL使得在体内可视化和监测循环系统相关的生理和病理过程(包括血栓、周围动脉疾病、肿瘤血管生成和淋巴引流)实现了多功能成像。

　　在NIR-II影像导航手术中，CQL能够帮助医生更准确地实施肿瘤和哨兵淋巴结活检的干预，且副作用更少。研究人员总结指出，高分辨率、优异的生物相容性和良好的体内表现使CQL成为未来临床前应用和临床转化的有前景候选。

　　程博士实验室的另一项近期研究探讨了基于DSPEmPEG封装稀土掺杂纳米颗粒RENPs@DSPE-mPEG，该粒子对骨骼具有固有亲和力，但不连接任何靶向配体[见图4]。

　　图4：C57BL/6小鼠(n=3)骨在NIR-IIa 1345纳米(1250纳米长通滤波片，曝光时间1000毫秒)窗口(a、b、c)及相应CT成像(d、e、f)中近红外二次成像。比例尺：10毫米。图片由斯坦福大学郑郑博士提供。首次发表于Nano。20195月8日; 19(5):2985-2992.

　　这种非侵入性、非放射的骨骼系统定位和骨病诊断策略同样适用于血管和淋巴结。值得注意的是，RENPs@DSPEmPEG可被循环白细胞内化，这可能提高免疫治疗中的纳米颗粒递送效率，并提升癌症靶向纳米颗粒在临床应用中的诊断和治疗效果。

　　赋能技术

　　Teledyne Princeton Instruments 的 NIRvana® 系列 InGaAs 相机通过多项科学性能特性区别于其他 InGaAs 相机，包括深度冷却、低暗噪声、高线性度、低读数噪声、高帧率、智能软件以及对积分时间的精确控制。

　　首先，无需维护的热电冷却(非液氮)能将NIRvana 640相机的InGaAs探测器冷却至-85°C。 这种深度冷却结合了专有的冷屏蔽设计和真空技术，以实现最低的暗噪声，这有助于提高灵敏度并保持信噪比(SNR)以适应长时间曝光。

　　NIRvana 640相机的曝光时间可短达2微秒，最长可达几分钟。超低噪声读出电子设备确保即使在摄像机最高110帧/秒运行时也能保持良好的信噪比。此外，出色的相机线性度使其在医学研究中极为可靠。

　　Teledyne Princeton Instruments的64位LightField®软件作为选装，提供强大且易用的界面，使研究人员能够随时掌握实时在线处理能力。NIRvana相机也可以通过现有的国家仪器LabVIEW®工具包集成到更大型的实验中。提供与外部设备同步的完全触发支持。