小鼠全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)應(yīng)用：DNA配體顯影劑解決方案

基質(zhì)金屬蛋白酶-9（Matrix metalloproteinase-9，MMP-9）是屬于鋅-金屬蛋白酶家族的一種酶，能夠促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)（Extracellular matrix，ECM）的重構(gòu)和膜蛋白分解。同時(shí)，MMP-9與腫瘤細(xì)胞侵入、轉(zhuǎn)移有著很密切的聯(lián)系，因而可以作為一種優(yōu)秀的生物標(biāo)記分子，以檢測(cè)腫瘤細(xì)胞的位置。
 
光聲（Photoacoustic，PA）則作為一種新興的非侵入性成像方式，通過(guò)對(duì)材料吸收光后的熱塑性膨脹波進(jìn)行處理并形成可視圖像，具有空間分辨率高、成像深度大等特點(diǎn)。有些內(nèi)源性物質(zhì)，如血紅蛋白，本身就具有光聲信號(hào)，但為了提高信噪比，首選仍然是一些外源性的化學(xué)分子。在該文獻(xiàn)中，作者Jinhwan等人開(kāi)發(fā)了一種全新的DNA配體（寡核苷酸）顯影劑。該顯影劑的主體為15 nm左右的金納米球（Gold nanospheres，AuNSs），作者在金納米球表面分別修飾了兩種不同的DNA鏈，稱(chēng)為AuNS-1和AuNS-2。修飾在AuNS-1的表面的是DNA雙鏈，為人類(lèi)基質(zhì)金屬蛋白酶-9（hMMP-9）的配體鏈（能夠與hMMP-9靶向結(jié)合）及其互補(bǔ)鏈（comp-1）。而在AuNS-2的表面則是comp-1的互補(bǔ)鏈（comp-2）。這樣的搭配能夠在缺乏MMP-9時(shí)，兩種金納米球穩(wěn)定地以單體形式存在；而在有MMP-9的環(huán)境中，AuNS-1的配體鏈更傾向于與MMP-9結(jié)合，暴露出comp-1單鏈，使得AuNS-2中的互補(bǔ)鏈comp-2與其雜交，使納米球發(fā)生聚集（圖1a）。聚集的金納米球由于等離子體耦合效應(yīng)（Plasmon coupling effect，聚集導(dǎo)致吸收峰紅移）提高了近紅外一區(qū)（NIR-I）吸收（圖1b），同時(shí)具有較好的選擇性（圖2），因此可以通過(guò)超聲指導(dǎo)的光聲成像獲得聚集有金納米球的腫瘤微環(huán)境（Tumor Microenvironment，TME）成像。
   

圖2 顯影劑在三種（無(wú)MMP-9、有MMP-9、有BSA）環(huán)境下的表征：a）溶液顏色變化；b）吸收波長(zhǎng)變化；c）平均粒徑（數(shù)值）；d）粒徑（TEM）

隨后，作者分別通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)和移植乳腺癌小鼠模型從體外和體內(nèi)兩個(gè)方面證實(shí)了該方法的可行性。在體外，作者使用MDA-MB-231人乳腺癌細(xì)胞制作了一個(gè)微環(huán)境模型，分別在第0、1、4、12、24小時(shí)取樣檢測(cè)其光聲信號(hào)強(qiáng)度，成功實(shí)現(xiàn)hMMP-9的量化檢測(cè)（圖3）。而在體內(nèi)，作者通過(guò)Tritom光聲系統(tǒng)，成功以三維的方式呈現(xiàn)皮膚、表面血管與聚集的顯影劑信號(hào)（圖4）。
 

圖3 分別用超聲（US）、光聲（PA）和聯(lián)合（US/PA）獲得的體外信號(hào)

 

圖4 利用Tritom小動(dòng)物光聲成像儀獲得的三維顯影效果

結(jié)論：作者利用DNA配體，成功提高了顯影劑在腫瘤微環(huán)境中的靶向性。這一思路拓寬了光聲成像的探針開(kāi)發(fā)道路，相信不久的將來(lái)，復(fù)合型顯影劑將逐漸增多，且被利用與各類(lèi)器官、腫瘤的可視化中。

參考文獻(xiàn)

[1] Jinhwan Kim, Anthony M. Yu, Kelsey P. Kubelick, et al. Gold nanoparticles conjugated with DNA aptamer for photoacoustic detection of human matrix metalloproteinase-9[J]. Photoacoustics 25 (2022) 100307

美國(guó)PhotoSound 小動(dòng)物3D光聲/熒光成像系統(tǒng) (PAFT)

美國(guó)PhotoSound小動(dòng)物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)(PAFT)為小動(dòng)物活體成像和表征提供了完整的解決方案。該系統(tǒng)集成了三種互補(bǔ)的三維成像模式：光聲成像(PAT)、熒光成像(FMT)、生物發(fā)光成像(BLT)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)小動(dòng)物的3D光聲、3D熒光和3D生物發(fā)光成像,該系統(tǒng)可為生物組織提供高分辨率、高對(duì)比的解剖學(xué)成像效果。

可實(shí)現(xiàn)近紅外一區(qū)和近紅外二區(qū)（670-2600 nm）小鼠全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)，采用OPO可調(diào)式激光器，提供670-2600 nm連續(xù)脈沖激光、完全3D光聲成像(具有100 um等向分辨率的完全三維成像，非切片疊加成像)、高通量 (256個(gè)電子通道)、靈敏度高(60 nM ICG )、桌面式設(shè)計(jì)，方便使用、成像速度快 (完成一次3D掃描需30秒)。

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