本文要點(diǎn)：組織對(duì)短波紅外線,，即近紅外二區(qū)NIR-II 是半透明的,，使光學(xué)成像在這一區(qū)域表現(xiàn)優(yōu)異,。然而,，光學(xué)SWIR成像的廣泛使用一直受到限制,，部分原因是缺乏吸收和發(fā)射1000納米以上光的明亮,、生物兼容的造影劑。

J-聚集體提供了一種將穩(wěn)定的近紅外(NIR)熒光團(tuán)轉(zhuǎn)化為紅移SWIR造影劑的方法,。本文作者證明了可以在空心介孔二氧化硅納米顆粒(HMSNs)內(nèi)部制備NIR熒光團(tuán)IR-140的聚集體,，從而形成吸收和發(fā)射SWIR光的納米材料。聚乙二醇化的HMSN內(nèi)的J-聚集體在緩沖液中穩(wěn)定數(shù)周,，并能在980 nm激發(fā)下進(jìn)行高分辨率活體成像,。

圖1.(A)用于光學(xué)成像的電磁頻譜區(qū)域 (B)J聚集和特征光物理性質(zhì)；C)IR-140,；(D)IR-140 J-聚集體在中空介孔二氧化硅納米顆粒(HMSN)中的穩(wěn)定,，以產(chǎn)生生物相容性的SWIR發(fā)射造影劑

J-聚集是發(fā)色團(tuán)的滑動(dòng)堆疊排列,，導(dǎo)致激發(fā)態(tài)躍遷偶極子的建設(shè)性耦合(圖1B)。J-聚集的光物理后果是吸收和發(fā)射光譜發(fā)生紅移,，吸收和發(fā)射波段窄,，斯托克斯位移小，吸收系數(shù)(ε)增強(qiáng),，熒光壽命縮短,，從而提高量子產(chǎn)率(ΦF)和循環(huán)速率。J聚集體的許多特性對(duì)于活體成像是有益的：紅移的吸收和發(fā)射光譜將使激發(fā)和圖像采集過(guò)程中的深度穿透,，窄帶可以促進(jìn)多路成像,，而增加的ε將產(chǎn)生明亮的材料。J-聚集體通常比單體具有顯著的光物理優(yōu)勢(shì),，但由于難以在復(fù)雜的環(huán)境中獲得和穩(wěn)定必要的發(fā)色團(tuán)排列,，使用J-聚集體進(jìn)行活體成像的報(bào)道很少。而納米結(jié)構(gòu)可以隔離和保護(hù)有效載荷,，使其成為一種在體內(nèi)穩(wěn)定J-聚集體很有前途的方法,。

空心介孔二氧化硅納米顆粒(HMSN)有2?4 nm的孔，這些孔開放到一個(gè)10?200 nm大空腔,，使得這些納米結(jié)構(gòu)能夠承載大量的貨物,。首先，為了在HMSN中實(shí)現(xiàn)SWIR-發(fā)射J-聚集體,，作者使用了七甲基染料IR-140,。IR-140是一種商品化的近紅外熒光團(tuán)(λ(Max)，abs=826 nm,，λ(Max),，em=875 nm)，已被用作光聚合引發(fā)劑,、熒光有效載荷,、等離子體陣列的組分、以及Raman和雙光子成像劑,。16年報(bào)道,，將IR-140引入谷胱甘肽包裹的量子點(diǎn)可以形成J-聚集體，觀察到兩個(gè)聚集體,，作者設(shè)想,，類似的IR-140 J聚集體可以在HMSN的帶負(fù)電荷的孔隙和內(nèi)表面形成。此外,，一旦聚集體在顆粒內(nèi)部組裝,，IR-140的疏水性質(zhì)將使它們不太可能在水環(huán)境中解體，從而使J-聚集體在體內(nèi)穩(wěn)定。

圖2.(A)將IR-140加載到HMSN的示意圖,；(B)洗滌條件有利于J-聚集,；(C，D)經(jīng)(D)IR-140處理和未經(jīng)(C)IR-140處理的HMSN的TEM圖像

然后作者用不同量的IR-140在不同溶劑中處理HMSN（圖2A）,。發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶解在DMSO中的IR-140與HMSN結(jié)合并洗滌時(shí)，可以獲得SWIR J-聚集體,。事實(shí)證明,，洗滌程序?qū)τ讷@得所需的J2聚集體形成至關(guān)重要（圖2B），溫和的PBS洗滌可產(chǎn)生的所需J2聚集體（深藍(lán)色,，圖2B）,。通過(guò)分析洗滌程序后收集的IR-140，計(jì)算出IR140的加載量為~103分子顆粒,。通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步表征HMSN,，其顯示具有明顯空腔和孔的~85nm顆粒（圖2C）。通過(guò)氮吸附實(shí)驗(yàn)將孔徑定量為3.2nm,。雖然在空HMSN的TEM中孔清晰可見(jiàn),，但在用IR-140處理后它們變暗（圖2D），表明存在IR-140,。

在確認(rèn)HMSN可以促進(jìn)IR-140的聚集之后,，用聚（乙二醇）（PEG）修飾表面，使得它們可以懸浮在水性介質(zhì)中,。此過(guò)程導(dǎo)致HMSN在外部帶正電荷,，但仍包含帶負(fù)電荷的內(nèi)部以與陽(yáng)離子IR140締合。將IR-140引入HMSN APTS的過(guò)程與HMSN相似,，產(chǎn)生類似的IR-140負(fù)載和更高的J2：J1的比例,。

圖3.(A)IR-140聚集體在HMSNS中的歸一化吸收和發(fā)射-PEG(藍(lán)色)，J-聚集體在溶液中(紅色)和單體(黃色),；(B)在980 nm激發(fā)下,，IR-140單體(左)、溶液中的J-聚集體(中)和HMSNS-?中的J-聚集體(右)的發(fā)射,；(C)在第0天(固體)和第1天或第14天(虛線),，IR-140 J-聚集體在35%DMSO/0.9%NaCl水中(紅色)和HMSNS-PEG在PBS(藍(lán)色)中的歸一化相對(duì)吸收;(D)IR-140 J-聚集體在HMSNS-PEG(藍(lán)色)和IR-140 J-聚集體在35%DMSO/0.9%NaCl水中(紅色)和IR-140 J-聚集體在DMSO中的光穩(wěn)定性(紅色)和單體在DMSO(黃色)中的光穩(wěn)定性

接下來(lái)，評(píng)估了含有IR-140的聚乙二醇化HMSN(HMSNS-PEG)的光物理性能,，并與單體和J-聚集體的IR-140在溶液中進(jìn)行了比較(圖3A),。單體IR-140得到了很好的表征；發(fā)現(xiàn)35%DMSO/0.9%NaCl在水中形成了所需的SWIR J-聚集體,，其中abs 1042nm,，em 1043nm。含有HMSNs-PEG的IR-140具有相似的光譜性質(zhì)。當(dāng)用980nm激光激發(fā)IR140在DMSO中的溶液,，在35%DMSO/0.9%NaCl水溶液中的IR-140和在PBS中加載IR-140的HMSNs-PEG時(shí),，用于體內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)的波長(zhǎng)，溶液和顆粒中的IR-140 J聚集體具有相似的發(fā)射性,，而單體不受980 nm光激發(fā)（圖3B）,。因此，聚集對(duì)于低能量激發(fā)的SWIR成像至關(guān)重要,。

接著作者又分析了HMSN在穩(wěn)定IR140 J-聚集體中的作用,。在室溫下在PBS中超過(guò)2周，觀察到載有IR140的HMSNs-PEG的吸光度僅降低~10%,，并且沒(méi)有證據(jù)表明IR-140在納米顆粒內(nèi)的包裝正在改變（圖3C,，藍(lán)色）。HMSN不僅穩(wěn)定了J-聚集體的組裝,，而且還增強(qiáng)了光穩(wěn)定性,。

用InGaAs照相機(jī)測(cè)量熒光強(qiáng)度，通過(guò)在785nm（97mW/cm 2）激發(fā)來(lái)評(píng)估單體IR-140在DMSO中的光穩(wěn)定性,。如圖3D所示,，HMSNs-PEG中的聚集體比溶液中的J聚集體穩(wěn)定4倍，比單體穩(wěn)定約60倍,。該結(jié)果與使用二氧化硅殼通過(guò)限制可進(jìn)入聚集體的活性氧物質(zhì)的量來(lái)克服J-聚集體*的差的光穩(wěn)定性是一致的,。綜上所述，我們的數(shù)據(jù)表明,，HMSNs對(duì)于穩(wěn)定J-聚集體的光和溶液至關(guān)重要,。

圖4.靜脈注射16fps(980 nm，91 mW/cm~2激發(fā),；1000?1700 nm采集)的大鼠成像;在注射后3s(A),、8s(B)、25s(C)和120s(D)在5幀內(nèi)平均減去背景的靜止圖像

最后,，通過(guò)制備和表征明亮的SWIR發(fā)射納米粒子,，評(píng)估了它們的生物相容性和體內(nèi)成像性能。體外研究數(shù)據(jù)與關(guān)于介孔二氧化硅的其他研究一致,，介孔二氧化硅通常被認(rèn)為對(duì)動(dòng)物無(wú)毒,。使用IR-140加載的HMSNs-PEG在980 nm激發(fā)并從1000-1700 nm收集進(jìn)行了體內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)。將發(fā)射性HMSNs-PEG靜脈內(nèi)注射到裸鼠和小鼠體內(nèi)立即成像（圖4）HMSNs-PEG從血流中迅速清除,，在肺,，肝和脾中可見(jiàn)強(qiáng)烈信號(hào)。注射后50分鐘,，這些器官內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度保持恒定,。

綜上所述,，作者提出了IR-140的J-聚集體作為一種制備生物相容性、SWIR造影劑和在HMSN中穩(wěn)定NIR熒光團(tuán)的這一概念,。IR-140J聚集體的紅移吸收和發(fā)射以及小的斯托克斯位移允許在980 nm激發(fā)和1000?1700 nm采集的情況下成像,，從而提供高分辨率的活體圖像。

參考文獻(xiàn)

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近紅外二區(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 - 近紅外二區(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，專注于近紅外二區(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)近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng)-MARS,。

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