近紅外二區(qū)小動物活體成像應(yīng)用：呼吸速率監(jiān)控

在疾病治療領(lǐng)域，精確的生物醫(yī)學(xué)成像工具能夠幫助醫(yī)生確定正確的預(yù)后（預(yù)測的疾病發(fā)展情況）和治療方法。光學(xué)成像方法因其多維可視性、非侵入性等特點，已被開發(fā)出多種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于生物分子檢測成像、藥物分布代謝跟蹤以及上文提到的疾病檢測和治療領(lǐng)域。但目前應(yīng)用的多種光學(xué)成像方法往往因分辨率不高或組織穿透性差而被限制應(yīng)用。例如，X光具有極佳的組織穿透性，但其分辨率不高，也無法實時檢測。

在此背景下，科研工作者開始將目光轉(zhuǎn)向近紅外波段（700 - 1700 nm），尤其是近紅外二區(qū)波段（NIR-II, 1000 - 1700 nm）的熒光成像。在該波段范圍內(nèi)，光在具有較高的穿透深度（5 - 20 mm）的同時保證了足夠的分辨率。

根據(jù)文獻(xiàn)介紹，在此之前設(shè)計出的NIR-II染料一般為疏水有機分子，因而在實際應(yīng)用中限制較多；另外也有少量水溶性小分子的報道，但其激發(fā)波長多位于近紅外一區(qū)，這將影響該粒子成像的組織穿透深度。所以在文獻(xiàn)中，作者設(shè)計了七個次甲基結(jié)構(gòu)（Heptamethine structure，一種常見的近紅外熒光染料結(jié)構(gòu)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛使用）的熒光染料FD-1080，使得該染料的吸收和發(fā)射波長均落在近紅外二區(qū)。同時，得益于磺酸基和環(huán)己烯基團(tuán)，該染料的水溶性和穩(wěn)定性分別得到了提高。
 

圖1：a) FD-1080的合成路徑; b) FD-1080的激發(fā)與發(fā)射圖譜; c) 現(xiàn)有的NIR-II染料激發(fā)波長示意圖; d) FD-1080與ICG（吲哚菁綠）分別在1064 nm和808 nm（0.33 W·cm^-2）波長下的光穩(wěn)定性
 

盡管FD-1080單獨的量子產(chǎn)率只有0.31%，但通過與胎牛血清（Fetal bovine serum, FBS）結(jié)合，可以顯著增加到5.94%。

除了以上獨特的性質(zhì)，得益于其吸收和發(fā)射波長范圍所在的近紅外二區(qū)性質(zhì)，該染料具有了與常規(guī)近紅外激發(fā)波段（650 nm – 980 nm）染料相比更高分辨率以及更深組織穿透深度�；�于該特性，作者在該文獻(xiàn)中嘗試用FD-1080進(jìn)行了小動物下肢血管、腦部血管的成像。
 

圖2：FD-1080在不同激發(fā)波長下的小鼠后肢血管成像效果（1300 nm長通濾光片）
 

圖3：FD-1080在不同激發(fā)波長下的小鼠腦部血管成像效果（1300 nm長通濾光片）

 
同時，作者也通過對小鼠肝臟位置因呼吸肺部擠壓造成的規(guī)律性移動，對活體呼吸速率進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)控和測試。