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利用可降解的NIR-IIb稀土納米探針實(shí)現(xiàn)時(shí)間編程神經(jīng)成像

瀏覽次數(shù):683 發(fā)布日期:2024-3-22  來(lái)源:恒光智影

本文要點(diǎn):這項(xiàng)研究主要關(guān)注了近紅外二區(qū)成像技術(shù)在神經(jīng)活動(dòng)非侵入性和高分辨率成像方面的應(yīng)用。研究者開(kāi)發(fā)了一種可生物降解的NIR-II稀土納米探針,作為新型造影劑用于增強(qiáng)神經(jīng)成像。這種納米探針在體內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)秀的長(zhǎng)波發(fā)射、高量子產(chǎn)率和可調(diào)的生物降解時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,這種納米探針在增強(qiáng)小鼠神經(jīng)活動(dòng)模型的成像深度和分辨率方面具有顯著效果。這有助于更深入地理解神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。


此外,這種可生物降解的納米探針還具有最小的長(zhǎng)期毒性,允許在神經(jīng)恢復(fù)或惡化過(guò)程中反復(fù)監(jiān)測(cè)受損神經(jīng)。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了可生物降解NIR-II稀土納米探針在推動(dòng)神經(jīng)成像技術(shù)發(fā)展、促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)研究和臨床診斷方面的巨大潛力。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)有望為神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷和治療帶來(lái)新的可能性。

 

 



圖1. 摻雜不同濃度鋯(Zr)(0、18、38、58、68、78%)的 ZrNPs 的表征和水降解行為

 

研究者通過(guò)改進(jìn)的高溫共沉淀法,合成了一系列不同鋯(Zr)摻雜濃度的稀土納米粒子。這些納米粒子在水相中表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)波發(fā)射、高量子產(chǎn)率和可調(diào)的生物降解時(shí)間。

隨著Zr摻雜濃度的增加,納米顆粒的形貌由圓形過(guò)渡到方形,尺寸呈現(xiàn)出由大到小的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,78% ZrNPs的熒光強(qiáng)度比1,2-二氯乙烷(DCE)中的IR-26高出61.3倍,表明其具有較高的近紅外熒光量子產(chǎn)率。此外,通過(guò)將 Ho3+和 Tm3+代替Er3+作為鋯基基質(zhì)中的激活劑,進(jìn)一步優(yōu)化了納米顆粒的近紅外發(fā)射性能。動(dòng)態(tài)光散射(DLS)分析顯示,不同Zr摻雜濃度的納米顆粒具有不同的水合粒徑。值得注意的是,當(dāng)Zr含量超過(guò)58%時(shí),納米顆粒開(kāi)始顯示出降解性。其中,78% ZrNPs的降解性能最為顯著,在168 h內(nèi)降至初始亮度值的10%以下。


圖2. 68%和78% ZrNPs的體內(nèi)神經(jīng)成像

 

研究者將68%和78% Zr摻雜的ZrNPs應(yīng)用于神經(jīng)節(jié)內(nèi)神經(jīng)注射,并觀(guān)察到所需的NIR-II熒光強(qiáng)度。結(jié)果顯示,78% ZrNPs的熒光強(qiáng)度在24小時(shí)內(nèi)下降至0,而68% ZrNPs的熒光強(qiáng)度仍可檢測(cè)到。此外,研究者還研究了直接給予劑量對(duì)68%或78% ZrNPs降解率的影響。結(jié)果表明,相同劑量的ZrNPs中,Zr摻雜濃度越高,熒光強(qiáng)度下降越快,降解速度更快。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)Zr摻雜濃度較高時(shí),合成體系主要產(chǎn)生可降解的Zr基納米顆粒而不是不可降解的Y基納米顆粒,導(dǎo)致降解速度更快。同時(shí),低給藥劑量下ZrNPs表面與水的接觸更多,導(dǎo)致更容易降解?紤]到足夠的熒光強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)慕到鈺r(shí)間窗,用于后續(xù)神經(jīng)成像的78% ZrNPs濃度被確定為300mg/mL。


圖3. 78%的ZrNPs、YNPs和ICG的神經(jīng)成像

 

這項(xiàng)研究通過(guò)直接給予小鼠坐骨神經(jīng)78% ZrNPs、YNPs或ICG,比較了不同時(shí)間點(diǎn)的NIR-II熒光成像。結(jié)果顯示,78% ZrNPs的熒光歸一化強(qiáng)度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,并在8小時(shí)后達(dá)到初始值的0.02,表明78% ZrNPs幾乎完全降解并實(shí)現(xiàn)了最佳成像時(shí)間窗。同時(shí),研究證明了78% ZrNPs在大鼠坐骨神經(jīng)中的降解能力。與ICG(FDA批準(zhǔn)用于臨床的近紅外染料)相比,78% ZrNPs表現(xiàn)出更高的成像質(zhì)量和光穩(wěn)定性。在78% ZrNPs給藥24小時(shí)后,解剖的離體小鼠坐骨神經(jīng)未顯示出NIR-II相機(jī)檢測(cè)到的熒光,而YNPs和ICG在24小時(shí)后仍在神經(jīng)中顯示出顯著的熒光強(qiáng)度。此外,通過(guò)蘇木精-伊紅(H&E)染色檢查,觀(guān)察到在直接給予ICG或78% ZrNPs 24小時(shí)后,坐骨神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)均一,證明78% ZrNPs具有良好的生物安全性,對(duì)小鼠坐骨神經(jīng)沒(méi)有影響。


圖4. 78% ZrNPs 的多重神經(jīng)成像以及神經(jīng)和血管的雙色成像

 

通過(guò)直接給藥并在24小時(shí)內(nèi)觀(guān)察,發(fā)現(xiàn)ZrNPs導(dǎo)致神經(jīng)熒光強(qiáng)度逐漸降低且在三次獨(dú)立成像之間沒(méi)有相互影響。為了優(yōu)化成像效果并減少背景噪音,科研人員設(shè)計(jì)并合成了白蛋白逃逸染料IR-808Ac,它能避免與白蛋白結(jié)合并加速體外排泄,從而帶來(lái)較低的成像背景信號(hào)。IR-808Ac和78% ZrNPs可分別響應(yīng)808nm和980nm激光激發(fā),具備無(wú)熒光干擾的雙通道成像特性。合并圖像表明,IR-808Ac在24小時(shí)內(nèi)完全代謝,允許在沒(méi)有信號(hào)干擾的情況下對(duì)血管和神經(jīng)進(jìn)行連續(xù)三次雙通道熒光成像


圖5. 78% ZrNPs 動(dòng)態(tài)神經(jīng)顯像對(duì)小鼠坐骨神經(jīng)損傷的短期/長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

 

該研究在物理神經(jīng)損傷的小鼠模型中,利用78% ZrNPs對(duì)神經(jīng)恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行了短期和長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。針對(duì)輕度損傷(10秒鉗夾),在第七天取出受損神經(jīng)進(jìn)行H&E染色,結(jié)果接近正常神經(jīng),證實(shí)輕度損傷可在7天內(nèi)基本恢復(fù)正常。進(jìn)一步地,研究者模擬了更嚴(yán)重的損傷(30秒或60秒)并同樣施用ZrNPs進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示,嚴(yán)重?fù)p傷組的熒光神經(jīng)長(zhǎng)度在7天后開(kāi)始減小并在第21天達(dá)最低,表明小鼠未能從此類(lèi)損傷中完全恢復(fù)且可能存在惡化跡象。

總結(jié):通過(guò)利用新型可生物降解的納米探針,該研究可以實(shí)現(xiàn)可編程的生物降解時(shí)間。這使研究者能夠更好地了解神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,為神經(jīng)疾病的早期診斷和治療提供強(qiáng)有力的支持。該納米探針可以幫助臨床醫(yī)生了解神經(jīng)損傷的具體類(lèi)型,并計(jì)劃適當(dāng)?shù)氖中g(shù)或非手術(shù)干預(yù),以實(shí)現(xiàn)最佳的功能恢復(fù)。

 

參考文獻(xiàn)

X. Zheng, Y. Du, Z. Dang, K. Lan, G. Liu, J. Ren, X. Wang, S. Zhu, Biodegradable Near-Infrared-IIb Rare-Earth Nanoprobe Enables Time-Programmable Neuroimaging. Adv. Funct. Mater. 2024, 2313278

 

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