利用穩(wěn)定的近紅外二區(qū)AIE納米造影劑評(píng)估血液循環(huán)

本文要點(diǎn)：血液循環(huán)系統(tǒng)功能失調(diào)通常會(huì)導(dǎo)致肢體和重要器官的急性或慢性缺血，造成高殘疾率和死亡率。雖然傳統(tǒng)的斷層成像技術(shù)在循環(huán)系統(tǒng)疾病診斷方面表現(xiàn)出色，但在實(shí)時(shí)和精確的血液動(dòng)力學(xué)評(píng)估方面仍存在許多限制。最近，第二區(qū)域近紅外（NIR-II，1000-1700nm）熒光成像由于其高時(shí)空分辨率和實(shí)時(shí)特性的優(yōu)勢(shì)，引起了人們對(duì)體內(nèi)監(jiān)測(cè)和追蹤各種生物過程的極大關(guān)注。在這里，我們利用NIR-II成像通過聚集誘導(dǎo)發(fā)光熒光聚合物（AIE納米造影劑，AIE NPs）進(jìn)行血液循環(huán)評(píng)估。得益于AIE NPs具有較長的激發(fā)波長、增強(qiáng)的吸收性能、在NIR-II區(qū)域更高的亮度以及更廣泛的優(yōu)化成像窗口，我們通過單一的NIR-II成像模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠血液循環(huán)的多方向評(píng)估。因此，我們的研究為進(jìn)行準(zhǔn)確的血液動(dòng)力學(xué)評(píng)估提供了一種熒光造影劑平臺(tái)。
 

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為了提高在生理環(huán)境中的液相分散性和生物相容性，使用表面活性劑Pluronic F-127封裝AIE發(fā)光體，制備了BBT-C6T-DPA-OMe NPs（圖1a）。動(dòng)態(tài)光散射（DLS）結(jié)果顯示AIE NPs呈均勻的球形形態(tài)，直徑約為80 nm（圖1b）。透射電子顯微鏡（TEM）也證實(shí)了這一點(diǎn)。BBT-C6T-DPA-OMe NPs的吸收和發(fā)射波長都延伸到了NIR-II光譜范圍，使其非常適合進(jìn)行體內(nèi)高清晰度熒光成像（圖1c）。值得注意的是，BBT-C6T-DPA-OMe NPs的ΦPL值（0.42%）相對(duì)于單個(gè)分子（0.39%）有所提高，這受到了AIE特性的影響（圖S3和S4）。此外，持續(xù)激光照射下，AIE NPs的信號(hào)強(qiáng)度表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性，沒有像ICG那樣明顯衰減（圖1d），這對(duì)于持續(xù)監(jiān)測(cè)血管血流動(dòng)力學(xué)行為非常有利。

圖1. 在去離子水中分散的AIE（聚集誘導(dǎo)發(fā)光）（BBT-C6T-DPA-OMe）納米顆粒的表征

 

如圖2a所示，在808nm激光（功率密度60毫瓦/平方厘米）下，AIE納米顆粒的近紅外二區(qū)信號(hào)（使用1300nm長通濾波器）比ICG強(qiáng)得多，并且隨著濃度的增加在小鼠血清和去離子水中的信號(hào)顯著增強(qiáng)。這表明了BBT-C6T-DPA-OMe納米顆粒在生理環(huán)境中的良好熒光性能。相比之下，ICG的熒光強(qiáng)度隨濃度增加逐漸下降，這歸因于ACQ效應(yīng)。此外，與ICG相比，在相同的激光激發(fā)和濾波器條件下（激光808nm，1300nmLP濾波器），AIE納米顆粒顯示出更高的亮度（圖2b）。當(dāng)使用980nm激發(fā)波長時(shí)，由于較長的吸收波長，BBT-C6T-DPA-OMe納米顆粒仍然顯示出強(qiáng)烈的熒光信號(hào)強(qiáng)度，而ICG由于其受限的激發(fā)波長，未檢測(cè)到近紅外二區(qū)信號(hào)（圖2c、d）。這些結(jié)果表明，BBT-C6T-DPA-OMe納米顆粒在體內(nèi)成像或監(jiān)測(cè)方面的潛力優(yōu)于ICG。

圖2. BBT-C6T-DPA-OMe納米顆粒在小鼠血清中的NIR-IIa信號(hào)評(píng)估

 

如圖3a所示，AIE納米對(duì)比組成功實(shí)現(xiàn)了玻璃毛細(xì)管的高保真成像，而在ICG組中，隨著深度增加，可見性顯著降低。直接反映成像分辨率的玻璃毛細(xì)管信號(hào)的半峰寬度（fwhms）在AIE納米對(duì)比劑組中在小于3毫米的范圍內(nèi)幾乎不受組織厚度的影響（圖3b）。相反，ICG組中毛細(xì)管的半峰寬度顯著增加，這歸因于近紅外一區(qū)明顯的散射效應(yīng)。此外，與ICG相比，BBT-C6T-DPA-OMe NPs在Intralipid溶液的每個(gè)深度都顯示出更高的信號(hào)噪音比（SBRs）（圖3c）。為了進(jìn)一步驗(yàn)證BBT-C6T-DPA-OMe納米粒子作為良好熒光對(duì)比劑的潛力，我們?cè)谡鎸?shí)組織（雞胸肉和脂肪組織）下評(píng)估了其成像深度（圖3d）。在模擬血管造影之前，我們將雞肉和脂肪組織預(yù)熱至37℃（接近實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的體溫），以減少溫度對(duì)組織散射的影響。如圖3e所示，組織厚度在3毫米以內(nèi)幾乎不影響半峰寬度，且覆蓋著組織的玻璃毛細(xì)血管的直徑與不覆蓋組織的非常接近。相比之下，在使用商用染料ICG進(jìn)行真實(shí)組織模擬的血管造影中，半峰寬度顯著增加，導(dǎo)致信噪比（SBR）較低（圖3f）。這些結(jié)果顯示了發(fā)光的BBT-C6T-DPA-OMe納米粒子所實(shí)現(xiàn)的理想穿透深度和對(duì)比成像信噪比。

圖3. 基于BBT-C6T-DPA-OMe納米粒子的血管造影模擬以及它們對(duì)組織穿透深度和信噪比（SBR）的評(píng)估

 

在圖4a中顯示的相應(yīng)橫截面強(qiáng)度剖面具有尖銳的峰值。我們識(shí)別了主要股動(dòng)脈的兩個(gè)峰值，然后用高斯函數(shù)進(jìn)行擬合。從近紅外-II血管造影圖像中測(cè)得的血管直徑分別為0.207毫米（股動(dòng)脈）和0.175毫米（股靜脈），可通過高斯擬合的半峰寬度來大致確定。此外，從股動(dòng)脈起源的四條小動(dòng)脈的高分辨率近紅外-II血管造影中清晰可見（圖4b）。相應(yīng)的橫截面強(qiáng)度剖面包含了四個(gè)尖銳的峰值，這表明了四條動(dòng)脈分支（直徑分別為0.123毫米、0.139毫米、0.055毫米和0.113毫米）的直徑（圖4b）。相比之下，使用ICG進(jìn)行的股靜脈NIR-I熒光血管造影（激光波長808納米，濾波器1000 LP）顯示出模糊的血管解剖結(jié)構(gòu)和寬強(qiáng)度峰值（圖4c和d）。

圖4. 使用BBT-C6T-DPA-OMe納米粒子和ICG分別在近紅外-II和I區(qū)小鼠股動(dòng)脈進(jìn)行的熒光血管造影圖像

 

在通過尾靜脈注射BBT-C6T-DPA-OMe納米粒子（6毫克/毫升，200微升）后的0.5秒，心臟（右心房，RA）首先在腹部視圖中發(fā)出熒光（圖5a和視頻S1）。隨后，大約0.75秒后，肺葉的近紅外-II熒光信號(hào)開始出現(xiàn)，然后在大約2.66秒和6.06秒后分別出現(xiàn)了腸系膜和肝臟。隨著循環(huán)時(shí)間的增加，腹部皮下血管網(wǎng)絡(luò)逐漸變得更加清晰，其最高清晰度大約在28秒左右。在背部視圖中，肺葉首先發(fā)出熒光，然后依次用熒光照亮腎臟、大腦、脊椎和淺層血管（圖5b）。器官中的照明時(shí)間滯后也可以通過強(qiáng)度-時(shí)間曲線顯示出來（圖5c-f）。

圖5. BBT-C6T-DPA-OMe NPs基于NIR-IIa動(dòng)態(tài)成像的生命重要器官灌注評(píng)估

 

注射BBT-C6T-DPA-OMe NPs后的10.03至37.71秒內(nèi)，可觀察到從阻塞點(diǎn)到遠(yuǎn)端股動(dòng)脈及其隨后的較小分支的血流信號(hào)流動(dòng)（圖6a）。從每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的多個(gè)圖像幀中提取了血流信號(hào)的傳播距離，并繪制了隨時(shí)間變化的圖表。這呈現(xiàn)出線性相關(guān)性，得到了血液速度為1.513 ± 0.081 mm/s（圖6b）。隨后，我們量化了這些圖像中血流信號(hào)的主要熒光強(qiáng)度，并繪制了熒光強(qiáng)度與時(shí)間的曲線，保持了線性關(guān)系，斜率為5.72 ± 0.181% s⁻¹（圖6c）。通過整合圖7b和c，得到了血流距離和熒光強(qiáng)度（圖6d）。

圖6. 在缺血性后肢中計(jì)算股動(dòng)脈的血流速度

 

總的來說，基于AIEgen的NIR-II發(fā)射性納米對(duì)比劑已成功制備并表征。與常用的ICG染料相比，AIE納米對(duì)比劑具有良好的光穩(wěn)定性、高亮度和理想的成像對(duì)比度，使其能夠在體內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血液循環(huán)系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，利用基于AIEgen的NIR-II納米對(duì)比劑可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PAD小鼠的高清晰度熒光血管造影、器官灌注和生命體征監(jiān)測(cè)以及血液動(dòng)力學(xué)評(píng)估。特別是，建立了熒光信號(hào)強(qiáng)度與血流速度之間的線性關(guān)系，可以通過血流熒光強(qiáng)度變化直接評(píng)估血液動(dòng)力學(xué)。因此，具有高亮度和光穩(wěn)定性的BBT-C6T-DPA-OMe NPs為血液循環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)有前景的成像工具，并有助于循環(huán)系統(tǒng)疾病的診斷。

 

參考文獻(xiàn)

Zhang, R.; Bi, Z.; Zhang, L.; Yang, H.; Wang, H.; Zhang, W.; Qiu, Z.; Zhang, C.; Xiong, Y.; Li, Y.; Zhao, Z.; Tang, B. Z., Blood Circulation Assessment by Steadily Fluorescent Near-Infrared-II Aggregation-Induced Emission Nano Contrast Agents. ACS Nano 2023, 17 (19), 19265-19274.

 

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