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

本文要點：血液循環(huán)系統(tǒng)功能失調(diào)通常會導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，但在實時和精確的血液動力學評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空分辨率和實時特性的優(yōu)勢，引起了人們對體內(nèi)監(jiān)測和追蹤各種生物過程的極大關注。在這里，我們利用NIR-II成像通過聚集誘導發(fā)光熒光聚合物（AIE納米造影劑，AIE NPs）進行血液循環(huán)評估。得益于AIE NPs具有較長的激發(fā)波長、增強的吸收性能、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成像模式實現(xiàn)了對小鼠血液循環(huán)的多方向評估。因此，我們的研究為進行準確的血液動力學評估提供了一種熒光造影劑平臺。
 

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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）也證實了這一點。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%）相對于單個分子（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的信號強度表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性，沒有像ICG那樣明顯衰減（圖1d），這對于持續(xù)監(jiān)測血管血流動力學行為非常有利。

圖1. 在去離子水中分散的AIE（聚集誘導發(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（使用1300nm長通濾波器）比ICG強得多，并且隨著濃度的增加在小鼠血清和去離子水中的信號顯著增強。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的熒光強度隨濃度增加逐漸下降，這歸因于ACQ效應。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）。當使用980nm激發(fā)波長時，由于較長的吸收波長，BBT-C6T-DPA-OMe納米顆粒仍然顯示出強烈的熒光信號強度，而ICG由于其受限的激發(fā)波長，未檢測到近紅外二區(qū)信號（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信號評估

 

如圖3a所示，AIE納米對比組成功實現(xiàn)了玻璃毛細管的高保真成像，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管信號的半峰寬度（fwhms）在AIE納米對比劑組中在小于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。此外，與ICG相比，BBT-C6T-DPA-OMe NPs在Intralipid溶液的每個深度都顯示出更高的信號噪音比（SBRs）（圖3c）。為了進一步驗證BBT-C6T-DPA-OMe納米粒子作為良好熒光對比劑的潛力，我們在真實組織（雞胸肉和脂肪組織）下評估了其成像深度（圖3d）。在模擬血管造影之前，我們將雞肉和脂肪組織預熱至37℃（接近實驗動物的體溫），以減少溫度對組織散射的影響。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進行真實組織模擬的血管造影中，半峰寬度顯著增加，導致信噪比（SBR）較低（圖3f）。這些結(jié)果顯示了發(fā)光的BBT-C6T-DPA-OMe納米粒子所實現(xiàn)的理想穿透深度和對比成像信噪比。

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

 

在圖4a中顯示的相應橫截面強度剖面具有尖銳的峰值。我們識別了主要股動脈的兩個峰值，然后用高斯函數(shù)進行擬合。從近紅外-II血管造影圖像中測得的血管直徑分別為0.207毫米（股動脈）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，從股動脈起源的四條小動脈的高分辨率近紅外-II血管造影中清晰可見（圖4b）。相應的橫截面強度剖面包含了四個尖銳的峰值，這表明了四條動脈分支（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)小鼠股動脈進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)時間的增加，腹部皮下血管網(wǎng)絡逐漸變得更加清晰，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）。器官中的照明時間滯后也可以通過強度-時間曲線顯示出來（圖5c-f）。

圖5. BBT-C6T-DPA-OMe NPs基于NIR-IIa動態(tài)成像的生命重要器官灌注評估

 

注射BBT-C6T-DPA-OMe NPs后的10.03至37.71秒內(nèi)，可觀察到從阻塞點到遠端股動脈及其隨后的較小分支的血流信號流動（圖6a）。從每個時間點的多個圖像幀中提取了血流信號的傳播距離，并繪制了隨時間變化的圖表。這呈現(xiàn)出線性相關性，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的主要熒光強度，并繪制了熒光強度與時間的曲線，保持了線性關系，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度（圖6d）。

圖6. 在缺血性后肢中計算股動脈的血流速度

 

總的來說，基于AIEgen的NIR-II發(fā)射性納米對比劑已成功制備并表征。與常用的ICG染料相比，AIE納米對比劑具有良好的光穩(wěn)定性、高亮度和理想的成像對比度，使其能夠在體內(nèi)實時監(jiān)測血液循環(huán)系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，利用基于AIEgen的NIR-II納米對比劑可以實現(xiàn)對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)測以及血液動力學評估。特別是，建立了熒光信號強度與血流速度之間的線性關系，可以通過血流熒光強度變化直接評估血液動力學。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)測提供了一個有前景的成像工具，并有助于循環(huán)系統(tǒng)疾病的診斷。

 

參考文獻

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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