經(jīng)典復(fù)讀Nature Photonics：可穿透顱骨近紅外二區(qū)熒光成像

大腦的無損成像對于研究其復(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)成像具有掃描時間短、空間分辨率高、無離子輻射、操作簡便等優(yōu)勢備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的可見光及近紅外一區(qū) (NIR-I, 400-900 nm)熒光成像常常需借助于開顱、打骨窗及磨顱骨等手術(shù)，這將對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)極大地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。美國斯坦福大學(xué)戴宏杰教授團(tuán)隊利用單壁碳納米管(SWNT) 在1.3-1.4 µm (NIR-IIa)固有發(fā)射，首次在不開顱的情況下，實現(xiàn)腦穿透深度>2 mm，空間分辨率達(dá)10 µm的無創(chuàng)性腦血管成像。

首先，研究人員測試了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)射波長位于NIR-I窗口(800–900 nm), 而SWNTs的發(fā)射波長位于NIR-II窗口(1.0-1.7 μm)。同時，研究人員利用1 wt% 脂肪乳劑來模擬生物體組織，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，僅有NIR-IIa (1.3 -1.4 μm)成像窗口可見尖銳的毛細(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依賴性，研究人員測定了1 wt% 脂肪乳劑的散射系數(shù)與波長關(guān)系。結(jié)果表明，光子散射系數(shù)與波長成反比(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以及水分子干擾信號(>1.4 μm)，從而大大改善成像效果。
 

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′與波長作圖。
 

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)域為紅色。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）。
 

圖4、小鼠腦血管的動態(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信號隨時間的變化。o、采用NIR-II法(紅色)和激光多普勒血流頻譜(藍(lán)色)測定對照組(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)

Hong G, Diao S, Chang J, et al. Through-skull fluorescence imaging of the brain in a new near-infrared window[J]. Nature photonics, 2014, 8(9): 723-730.

 

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