本文要點(diǎn)：本論文中，研究人員利用單壁碳納米管在1.3-1.4 µm (NIR-IIa)固有發(fā)射,，*在不開(kāi)顱的情況下,，實(shí)現(xiàn)腦穿透深度>2 mm,，空間分辨率達(dá)10 µm的無(wú)創(chuàng)性腦血管成像,；同時(shí)以每秒∼5.3幀的成像速率動(dòng)態(tài)成功記錄腦血管中的血液灌注，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦卒中模型小鼠的血液動(dòng)力學(xué)分布,。

大腦的無(wú)損成像對(duì)于研究其復(fù)雜的功能及相關(guān)疾病具有重要作用,。與傳統(tǒng)的X光、磁共振等方法相比,，光學(xué)成像具有掃描時(shí)間短,、空間分辨率高、無(wú)離子輻射,、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注,。然而，傳統(tǒng)的可見(jiàn)光及近紅外一區(qū) (NIR-I, 400-900 nm)熒光成像常常需借助于開(kāi)顱,、打骨窗及磨顱骨等手術(shù),，這將對(duì)腦組織及腦血管造成損傷,。近紅外二區(qū)生物成像窗口(1.0 -1.7 µm, NIR-II)減少了組織的光子散射、吸收和自熒光現(xiàn)象, 提供更高的信噪比和更深的組織穿透性,，在生物領(lǐng)域中應(yīng)用備受青睞,。美國(guó)斯坦福大學(xué)戴宏杰教授團(tuán)隊(duì)利用單壁碳納米管(SWNT) 在1.3-1.4 µm (NIR-IIa)固有發(fā)射，*在不開(kāi)顱的情況下,，實(shí)現(xiàn)腦穿透深度>2 mm，空間分辨率達(dá)10 µm的無(wú)創(chuàng)性腦血管成像,。

首先,，研究人員測(cè)試了SWNT-IRDye800共軛物在808 nm激光激發(fā)下的發(fā)射譜圖(圖1a)。其中,，IRDye800的發(fā)射波長(zhǎng)位于NIR-I窗口(800–900 nm), 而SWNTs的發(fā)射波長(zhǎng)位于NIR-II窗口(1.0-1.7 μm),。同時(shí)，研究人員利用1 wt% 脂肪乳劑來(lái)模擬生物體組織,，將充滿SWNT–IRDye800溶液的毛細(xì)管浸入其中,，當(dāng)浸入深度達(dá)1cm時(shí)，僅有NIR-IIa (1.3 -1.4 μm)成像窗口可見(jiàn)尖銳的毛細(xì)管邊緣(圖1b),，表明NIR IIa窗口具有較低的光散射,。為了進(jìn)一步闡明脂肪乳劑成像的波長(zhǎng)依賴性，研究人員測(cè)定了1 wt% 脂肪乳劑的散射系數(shù)與波長(zhǎng)關(guān)系,。結(jié)果表明,，光子散射系數(shù)與波長(zhǎng)成反比(圖1c)。NIR-IIa 窗口由于避免了短波光子(<1.3 μm) 散射引起的背景信號(hào)以及水分子干擾信號(hào)(>1.4 μm),，從而大大改善成像效果,。

圖1 a、SWNT-IRDye800熒光發(fā)射光譜 (808 nm),。b,、 SWNT-IRDye800溶液充滿毛細(xì)管浸入1wt% Intralipid中1mm (上)和10mm (下)的NIR熒光圖像。c,、1wt% Intralipid在水中的消光光譜(黑色曲線)和散射光譜(紅色曲線),。

其次，研究人員利用SWNT–IRDye800分別在NIR-I,、NIR-II和NIR-IIa成像窗口進(jìn)行了活體小鼠腦成像對(duì)比,。與NIR-I窗口成像的模糊血管相比 (圖2b)，檢測(cè)波長(zhǎng)越長(zhǎng),，圖像越清晰(圖2c),，尤其是NIR-IIa (1.3 -1.4 μm) (圖2d)。研究人員通過(guò)測(cè)定小鼠頭皮和顱骨的消光光譜進(jìn)一步解釋小鼠大腦熒光成像的波長(zhǎng)依賴性 (圖2e),。在NIR-IIa波段內(nèi),，頭皮及顱骨的光散射系數(shù)低于傳統(tǒng)NIR-I窗口 (圖2f),，同時(shí)避免了頭皮及水分子振動(dòng)吸收峰干擾 (> ∼1.4μm)，從而使得顱骨下方的皮質(zhì)血管成像得到顯著改善 (圖2d和2b),。

圖2,、SWNT-IRDye800在不同近紅外成像窗口的活體小鼠腦成像。a,，去除毛發(fā)的C57Bl/6小鼠腦部,。b–d，同一小鼠腦部在NIR-I,、NIR-II和NIR-IIa區(qū)域的熒光圖像,。d，大腦下靜脈,、上矢狀竇和橫竇分別標(biāo)記為1,、2和3。e,，頭皮(紅色)和頭骨(藍(lán)色)的消光光譜以及吸水光譜(黑色),。f，頭皮(紅色),、顱骨(藍(lán)色)和腦組織(黑色)的散射系數(shù)μs′與波長(zhǎng)作圖,。

接下來(lái)，研究人員對(duì)小鼠腦血管進(jìn)行高倍顯微成像,。為了優(yōu)化單位質(zhì)量注入的納米管的熒光信號(hào),，研究人員將納米管中熒光發(fā)射在1.3–1.4 μm波段的半導(dǎo)體納米管分離出來(lái)，用于小鼠腦成像(圖3c),。首先,，研究人員對(duì)小鼠整個(gè)頭部進(jìn)行成像(圖3d)，放大其左半球(圖3e),，并在上矢狀竇皮質(zhì)血管分支附近進(jìn)行顯微成像,。頭皮下方2.6 mm深度處NIR IIa 窗口顯微圖像揭示，許多微小的毛細(xì)血管從較大的腦血管分支出來(lái)（圖3f）,。此外,，研究人員通過(guò)測(cè)定離體的頭皮、顱骨和腦膜總厚度,，推測(cè)出2.6 mm深度的毛細(xì)血管在腦組織內(nèi)的深度為∼1.3 mm,，實(shí)現(xiàn)了迄今為止報(bào)道的分辨率的腦毛細(xì)血管非侵入性熒光成像（圖3h-k）。

圖3,、小鼠腦血管NIR IIa高倍顯微熒光成像,。a、立體定向顯微鏡成像裝置,。紅色激光用于校準(zhǔn)并顯示光束位置,。b,、顯示NIR IIa熒光穿透腦組織、顱骨和頭皮的示意圖,。c,、 半導(dǎo)體納米管在水溶液中的發(fā)射光譜。1.3–1.4 μm NIR IIa區(qū)域?yàn)榧t色,。d,、低倍腦血管圖像，視野為25 mm×20 mm,。e,、d中腦血管圖像放大到左大腦半球，視野為8 mm×6.4 mm,。f、用顯微鏡物鏡拍攝同一小鼠頭部的腦血管圖像,，視野為1.7 mm×1.4 mm,。這些病灶內(nèi)血管特征的深度為2.6 mm。g,、放大倍率較高的物鏡拍攝的f子區(qū)域的放大圖像,，視野為0.80 mm×0.64 mm。注：沿黃色虛線的橫截面強(qiáng)度分布（黑色）和高斯擬合曲線（紅色）,。h–k,，在另一只小鼠（h，j）上拍攝的另外兩張視野為0.80 mm×0.64 mm的高分辨率腦血管圖像及其沿黃色虛線（i,，k）的橫截面熒光強(qiáng)度分布（黑色）和高斯擬合曲線（紅色）,。

后，研究人員對(duì)正常小鼠與左腦中風(fēng)小鼠(MCAO) 進(jìn)行了腦血流灌注的動(dòng)態(tài)NIR-IIa成像,；并根據(jù)血流動(dòng)力學(xué)差異來(lái)區(qū)分動(dòng)脈血管和靜脈血管,。與正常小鼠(圖4a-c)相比，MCAO小鼠(圖4g-i)右半球顯示出與正常小鼠非常相似的血流,，而左半球卻顯示出明顯的血流延遲,。MCAO小鼠的主成分分析(PCA)顯示，右大腦半球的靜脈血管網(wǎng)(藍(lán)色) 較左大腦半球的靜脈血管網(wǎng)(藍(lán)色)更為豐富,，且動(dòng)脈血管(紅色)僅在完整的右大腦半球顯示(圖4j-l),。進(jìn)一步對(duì)腦血流灌注進(jìn)行量化發(fā)現(xiàn)，正常小鼠中,，左右大腦半球中線性上升的熒光信號(hào)具有幾乎相同的斜率,，表明相對(duì)灌注為∼1 (圖4m); 而在MCAO小鼠中，左半球的相對(duì)灌注僅為0.159 (圖4n),。與腦灌注不足的模型小鼠相比,，MCAO組血液灌注顯著減少∼85% (圖4o),，利用熒光信號(hào)定量的方法與激光多普勒測(cè)量結(jié)果一致。因此,，NIR-IIa動(dòng)態(tài)熒光成像為血流測(cè)定提供一種新的方法,。

圖4、小鼠腦血管的動(dòng)態(tài)NIR IIa熒光成像,。a–c,，正常小鼠NIR IIa圖像。d–f,，PCA重疊圖像顯示正常小鼠的動(dòng)脈(紅色)和靜脈(藍(lán)色)血管,。g–i，MCAO小鼠的NIR IIa圖像,。j–l,，PCA重疊圖像顯示MACO小鼠的動(dòng)脈(紅色)和靜脈(藍(lán)色)血管。m,、 n,，正常小鼠(m)和MACO小鼠(n)左側(cè) (紅色)和右側(cè) (黑色)大腦半球的NIR-IIa信號(hào)隨時(shí)間的變化。o,、采用NIR-II法(紅色)和激光多普勒血流頻譜(藍(lán)色)測(cè)定對(duì)照組(n=3),、MCAO組(n=4)和低血流灌注組(n=4)左大腦半球平均血流灌注。

參考文獻(xiàn)

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紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system 

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機(jī),，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭,，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命,、一區(qū)熒光成像,、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng),，兼容成像型光譜儀

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 恒光智影

       上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司,，專注于紅外二區(qū)成像技術(shù)。致力于為生物醫(yī)學(xué),、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供*的,、一體化的成像解決方案。自主研發(fā)紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng)-MARS,。

       與基于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的傳統(tǒng)成像技術(shù)相比,，我們的技術(shù)側(cè)重于X射線、紫外,、紅外,、短波紅外、太赫茲范圍，可為腫瘤學(xué),、神經(jīng)學(xué),、心血管、藥代動(dòng)力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果,，助力科技研發(fā),。

       同時(shí)，恒光智影還具備探針研發(fā)能力,，我們已經(jīng)成功研發(fā)了超過(guò)15種探針,，這些探針將廣泛地應(yīng)用于眾多生物科技前沿領(lǐng)域的相關(guān)研究中。