小鼠全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)應用：DNA配體顯影劑解決方案

基質金屬蛋白酶-9（Matrix metalloproteinase-9，MMP-9）是屬于鋅-金屬蛋白酶家族的一種酶，能夠促進細胞外基質（Extracellular matrix，ECM）的重構和膜蛋白分解。同時，MMP-9與腫瘤細胞侵入、轉移有著很密切的聯(lián)系，因而可以作為一種優(yōu)秀的生物標記分子，以檢測腫瘤細胞的位置。
 
光聲（Photoacoustic，PA）則作為一種新興的非侵入性成像方式，通過對材料吸收光后的熱塑性膨脹波進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。有些內源性物質，如血紅蛋白，本身就具有光聲信號，但為了提高信噪比，首選仍然是一些外源性的化學分子。在該文獻中，作者Jinhwan等人開發(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，稱為AuNS-1和AuNS-2。修飾在AuNS-1的表面的是DNA雙鏈，為人類基質金屬蛋白酶-9（hMMP-9）的配體鏈（能夠與hMMP-9靶向結合）及其互補鏈（comp-1）。而在AuNS-2的表面則是comp-1的互補鏈（comp-2）。這樣的搭配能夠在缺乏MMP-9時，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結合，暴露出comp-1單鏈，使得AuNS-2中的互補鏈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（Plasmon coupling effect，聚集導致吸收峰紅移）提高了近紅外一區(qū)（NIR-I）吸收（圖1b），同時具有較好的選擇性（圖2），因此可以通過超聲指導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）吸收波長變化；c）平均粒徑（數(shù)值）；d）粒徑（TEM）

隨后，作者分別通過細胞培養(yǎng)和移植乳腺癌小鼠模型從體外和體內兩個方面證實了該方法的可行性。在體外，作者使用MDA-MB-231人乳腺癌細胞制作了一個微環(huán)境模型，分別在第0、1、4、12、24小時取樣檢測其光聲信號強度，成功實現(xiàn)hMMP-9的量化檢測（圖3）。而在體內，作者通過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（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

 

圖4 利用Tritom小動物光聲成像儀獲得的三維顯影效果

結論：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發(fā)道路，相信不久的將來，復合型顯影劑將逐漸增多，且被利用與各類器官、腫瘤的可視化中。

參考文獻

[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PhotoSound 小動物3D光聲/熒光成像系統(tǒng) (PAFT)

美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)(PAFT)為小動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)，可同時實現(xiàn)小動物的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、高對比的解剖學成像效果。

可實現(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個電子通道)、靈敏度高(60 nM ICG )、桌面式設計，方便使用、成像速度快 (完成一次3D掃描需30秒)。

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