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2025-01-10 10:52:26多光譜活體
多光譜活體成像是一種先進(jìn)的生物成像技術(shù),它利用多個光譜波段的成像信息,對生物體進(jìn)行非侵入式的實時監(jiān)測。該技術(shù)能夠捕捉到生物體在不同光譜下的獨特反射和吸收特征,從而揭示生物體的生理狀態(tài)、代謝過程及病理變化。多光譜活體成像在生物醫(yī)學(xué)研究、臨床診斷及藥物研發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用,為科研人員提供了直觀、準(zhǔn)確的生物體信息,有助于深入探索生命科學(xué)的奧秘。

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2025-02-17 14:30:16多光譜光聲斷層掃描成像原理是什么?
多光譜光聲斷層掃描成像:開創(chuàng)醫(yī)學(xué)影像的新篇章 多光譜光聲斷層掃描成像(MSPAT)是一項革命性的成像技術(shù),結(jié)合了光學(xué)和超聲波的優(yōu)勢,能夠提供高分辨率的圖像,且具有較高的深度穿透能力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,MSPAT在醫(yī)學(xué)成像、癌癥檢測、腦部研究等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力。本篇文章將深入探討多光譜光聲斷層掃描成像的原理、優(yōu)勢及其在臨床診斷中的應(yīng)用。 光聲效應(yīng)與成像原理 多光譜光聲斷層掃描成像的核心原理是基于光聲效應(yīng)。當(dāng)激光光源照射到組織中時,組織中的水分和血紅蛋白會吸收特定波長的光,導(dǎo)致局部溫度升高并產(chǎn)生快速的熱膨脹。這個過程會激發(fā)聲波的產(chǎn)生,聲波的強度和頻率可以通過超聲探頭進(jìn)行探測,從而反映出組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分。 多光譜光聲斷層掃描成像之所以能稱為“多光譜”,是因為它使用了不同波長的激光源,從而可以獲得組織的不同光學(xué)特性。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于,它能夠獲取更豐富的組織信息,識別不同的組織成分,如血管、腫瘤以及其他病變區(qū)域。 多光譜光聲斷層掃描成像的優(yōu)勢 相比傳統(tǒng)的成像技術(shù),如CT(計算機斷層掃描)和MRI(磁共振成像),多光譜光聲斷層掃描成像具有獨特的優(yōu)勢。MSPAT能夠以較高的分辨率提供結(jié)構(gòu)性圖像,這在微小病變的早期發(fā)現(xiàn)上至關(guān)重要。尤其是在腫瘤檢測方面,MSPAT能有效區(qū)分腫瘤組織和健康組織,有助于提高腫瘤早期篩查的準(zhǔn)確性。 MSPAT能夠在不使用放射線的情況下,獲得豐富的血管信息。傳統(tǒng)的成像技術(shù)需要注射對比劑來突出血管的顯現(xiàn),而MSPAT則通過不同波長的激光照射,可以無創(chuàng)性地提供關(guān)于血管的詳細(xì)信息,且能夠深入體內(nèi)組織層次,幫助醫(yī)生更好地評估腫瘤的血供狀況或病變的演變過程。 臨床應(yīng)用前景 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,MSPAT已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,尤其在腫瘤檢測和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷中。通過對腫瘤組織的精確成像,醫(yī)生可以更加準(zhǔn)確地評估腫瘤的大小、位置以及血供情況,從而為方案的制定提供重要依據(jù)。MSPAT也在腦血管病變、腦部腫瘤等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究中,幫助醫(yī)生獲取更加直觀的病變圖像,輔助早期診斷和治果評估。 未來,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,MSPAT的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴展。尤其是與人工智能結(jié)合的進(jìn)展,MSPAT的圖像分析將更加,能夠幫助醫(yī)生在極短的時間內(nèi)做出更加科學(xué)的診斷決策,極大地提高醫(yī)率和診斷準(zhǔn)確率。 結(jié)論 多光譜光聲斷層掃描成像作為一項創(chuàng)新的成像技術(shù),憑借其高分辨率、無創(chuàng)性和多波長成像的優(yōu)勢,正在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中占據(jù)越來越重要的地位。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,MSPAT將在腫瘤篩查、腦部疾病診斷等方面展現(xiàn)出更加廣泛的應(yīng)用潛力,并有望成為未來醫(yī)學(xué)影像的主流技術(shù)之一。
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2023-05-26 10:20:02FluorCam-Pro植物多光譜熒光成像系統(tǒng)
FluorCam-Pro植物多光譜熒光成像系統(tǒng)是FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)的最 新高級擴展產(chǎn)品。此系統(tǒng)既可用于PAM脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈩討B(tài)成像分析,又可用于UV紫外光對植物葉片激發(fā)產(chǎn)生的多光譜熒光成像測量分析,還可選配濾波器組對GFP、RFP、YFP、SYBR Green等熒光蛋白和熒光染料進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熒光成像測量。測量對象包括葉片、果實、花朵、整株擬南芥或其他小型植株、苔蘚、微藻、大型藻類乃至特定的動物樣品。應(yīng)用領(lǐng)域:植物光合生理生態(tài)植物逆境脅迫生理與易感性植物初級代謝與次級代謝植物表型組學(xué)成像分析(Phenotyping)作物遺傳育種與抗性篩選種子萌發(fā)與活力監(jiān)測轉(zhuǎn)基因植株篩選功能特點:多激發(fā)光-多光譜熒光成像技術(shù):通過兩種以上不同波長的光源激發(fā)植物樣品中不同的發(fā)色團發(fā)出熒光并進(jìn)行成像檢測,即為多激發(fā)光多光譜熒光成像技術(shù)。植物的多光譜熒光主要包括葉綠素?zé)晒?、UV紫外光激發(fā)多光譜熒光和熒光蛋白熒光FluorCam-Pro無需更換任何配件即可同步實現(xiàn)多激發(fā)光-多光譜熒光成像功能:PAM脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒獬上褡贤饧ぐl(fā)F440、F520、F690、F740多光譜熒光成像GFP、RFP、YFP等常用熒光蛋白成像可根據(jù)用戶需要定制熒光蛋白或熒光染料成像,如BFP、CFP、SYBR Green、DAPI等可對黃酮、花青素含量進(jìn)行定量測量可進(jìn)行自動重復(fù)成像測量和無人值守監(jiān)測,可設(shè)置實驗程序(Protocols)自動循環(huán)成像測量,成像測量數(shù)據(jù)自動按時間日期存入計算機(帶時間戳)測量樣品為各種活體植物樣品,包括葉片、花卉、果實、整株擬南芥或其他小型植物、微藻(包括液滴、多孔板、固體培養(yǎng)基)及大型藻類等技術(shù)指標(biāo):一體式設(shè)計,自帶暗適應(yīng)箱體最 佳成像面積:20×20cm測量參數(shù):Fo, Fo’, Fs, Fm, Fm’, Fp, FtDn, FtLn, Fv, Fv'/ Fm', Fv/ Fm ,Fv',Ft,ΦPSII, NPQ_Dn, NPQ_Ln, Qp_Dn, Qp_Ln, qN, qL, QY, QY_Ln, Rfd, ETR等50多個葉綠素?zé)晒鈪?shù);紫外激發(fā)多光譜熒光成像參數(shù):F440、F520、F690、F740;熒光蛋白熒光強度參數(shù)Ft;每項參數(shù)均可顯示對應(yīng)二維熒光彩色圖像。并可測量計算黃酮醇指數(shù)Flavonol Index,、花青素指數(shù)Anthocyanin Index。具備完備的自動測量程序(protocol),可自由對自動測量程序進(jìn)行編輯1)Fv/Fm:測量參數(shù)包括Fo,F(xiàn)m,F(xiàn)v,QY等葉綠素?zé)晒鈪?shù)2)Kautsky誘導(dǎo)效應(yīng):Fo,F(xiàn)p,F(xiàn)v,F(xiàn)t_Lss,QY,Rfd等葉綠素?zé)晒鈪?shù)3)Quenching熒光淬滅分析:Fo,F(xiàn)m,F(xiàn)p,F(xiàn)s,F(xiàn)v,QY,ΦII,NPQ,Qp,Rfd,qL等50多個葉綠素?zé)晒鈪?shù)4)Light Curve光響應(yīng)曲線:不同光強梯度條件下Fo,F(xiàn)m,QY,QY_Ln,ETR等葉綠素?zé)晒鈪?shù)5)MultiColor紫外激發(fā)多光譜熒光成像(選配)6)FPs熒光蛋白成像:GFP、YFP、RFP、BFP等(選配)熒光激發(fā)光源組:全LED光源,包括620nm紅光、5700K冷白光、735nm遠(yuǎn)紅光、365nm紫外光,445nm品藍(lán)光,470nm藍(lán)光,505nm青光,530nm綠光,590nm琥珀色光等高分辨率CCD相機1)圖像分辨率:1360×1024像素2)時間分辨率:在最 高圖像分辨率下可達(dá)每秒20幀具備7位濾波輪,標(biāo)配葉綠素?zé)晒鉃V波器,根據(jù)用戶需要可定制紫外激發(fā)多光譜熒光和GFP、RFP、YFP、BFP等熒光蛋白專用濾波器FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治鲕浖δ埽壕週ive(實況測試)、Protocols(實驗程序選擇定制)、Pre–processing(成像預(yù)處理)、Result(成像分析結(jié)果)等功能菜單自動測量分析功能:可設(shè)置一個實驗程序(Protocol)自動無人值守循環(huán)成像測量,重復(fù)次數(shù)及間隔時間客戶自定義,成像測量數(shù)據(jù)自動按時間日期存入計算機(帶時間戳)成像預(yù)處理:程序軟件可自動識別多個植物樣品或多個區(qū)域,也可手動選擇區(qū)域(Region of interest,ROI)。手動選區(qū)的形狀可以是方形、圓形、任意多邊形或扇形。軟件可自動測量分析每個樣品和選定區(qū)域的熒光動力學(xué)曲線及相應(yīng)參數(shù),樣品或區(qū)域數(shù)量不受限制(>1000)輸出結(jié)果:高時間解析度熒光動態(tài)圖、熒光動態(tài)變化視頻、熒光參數(shù)Excel文件、直方圖、不同參數(shù)成像圖、不同ROI的熒光參數(shù)列表等應(yīng)用案例:1.抗病毒基因研究:葉綠素?zé)晒獬上衽cGFP成像聯(lián)合分析法國國家農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院一直致力于馬鈴薯y病毒組的抗病基因研究,通過不同基因編輯處理方法,驗證抗病毒分子機制。相關(guān)研究中,研究人員利用FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)的GFP熒光蛋白成像功能,定量分析感染面積與病毒積累量,從而直觀地反映了不同基因功能對擬南芥病毒抗性的影響。同時,葉綠素?zé)晒獬上駝t反映病毒對光合系統(tǒng)的損傷,同步提供植物的光合表型信息。參考文獻(xiàn):Zafirov D, et al. 2021. When a knockout is an Achilles' heel: Resistance to one potyvirus species triggers hypersusceptibility to another one in Arabidopsis thaliana. Mol Plant Pathol. 22: 334–347Bastet A, et al. 2019. Mimicking natural polymorphism in eIF4E by CRISPR‐Cas9 base editing is associated with resistance to potyviruses. Plant Biotechnology Journal 17: 1736–1750Bastet A, et al. 2018. Trans-species synthetic gene design allows resistance pyramiding and broad-spectrum engineering of virus resistance in plants. Plant Biotechnology Journal: 1–132.不同顏色凌霄葉片的葉綠素?zé)晒馀c紫外激發(fā)多光譜熒光成像分析(易科泰EcoTech?實驗室)產(chǎn)地:歐洲
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2023-08-21 11:50:20激光共聚焦熒光顯微鏡 活體熒光物質(zhì)檢查
激光共聚焦顯微鏡,簡稱CLSM(Confocal Laser Scanning Microscopy),是一種利用激光共振效應(yīng)進(jìn)行成像的顯微鏡。它通過使用激光束掃描樣品的不同層面,將所得到的圖像合成成一幅清晰的三維圖像。與傳統(tǒng)顯微鏡相比,激光共聚焦顯微鏡具有更高的分辨率和更強的穿透能力,可以觀察到更加細(xì)微的結(jié)構(gòu)和更深層次的物質(zhì)。在活體熒光物質(zhì)的檢查中,激光共聚焦顯微鏡發(fā)揮了重要的作用。通過標(biāo)記活體細(xì)胞或組織的特定結(jié)構(gòu)或分子,激光共聚焦顯微鏡可以實時觀察到這些結(jié)構(gòu)或分子的活動和分布情況。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,它可以用于觀察細(xì)胞的生長、分裂和死亡過程,研究細(xì)胞信號傳導(dǎo)和分子交互作用等。在藥物研發(fā)中,它可以用于觀察藥物在活體細(xì)胞或組織中的分布情況,評估藥物的療效和毒性。此外,在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域,激光共聚焦顯微鏡可以用于觀察神經(jīng)元的活動和連接,揭示大腦的工作機制。 NCF950激光共聚焦顯微鏡較寬場熒光顯微鏡的優(yōu)點:l 能夠通過熒光標(biāo)本連續(xù)生產(chǎn)?。?.5至1.5微米)的光學(xué)切片,厚度范圍可達(dá)50微米或更大。(主要優(yōu)點)l 控制景深的能力。l能夠從樣品中分離和收集焦平面,從而消除熒光樣品通常看到的焦外“霧霾",非共焦熒光顯微鏡下無法檢測到。(最重要的特點)l  從厚試樣收集連續(xù)光學(xué)切片的能力。l 通過三維物體收集一系列圖像,用于二維或三維重建。l收集雙重和三重標(biāo)簽,精確的共定位。l 用于對在不透明的圖案化基底上生長的熒光標(biāo)記細(xì)胞之間的相互作用進(jìn)行成像。l  有能力補償自發(fā)熒光。 耐可視共聚焦成像效果圖                                                          尼康共聚焦成成像效果圖NCF950激光共聚焦顯微鏡應(yīng)用,共聚焦顯微鏡在以下研究領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛:1、細(xì)胞生物學(xué):細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞骨架、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、流動性、受體、細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和分布變化、細(xì)胞凋亡;2、生物化學(xué):酶、核酸、FISH、受體分析3、藥理學(xué):藥物對細(xì)胞的作用及其動力學(xué);4、生理學(xué):膜受體、離子通道、離子含量、分布、動態(tài);5、遺傳學(xué)和組胚學(xué):細(xì)胞生長、分化、成熟變化、細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)、染色體分析、基因表達(dá)、基因診斷;6、神經(jīng)生物學(xué):神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、神經(jīng)遞質(zhì)的成分、運輸和傳遞;7、微生物學(xué)和寄生蟲學(xué):細(xì)菌、寄生蟲形態(tài)結(jié)構(gòu);8、病理學(xué)及病理學(xué)臨床應(yīng)用:活檢標(biāo)本的快速診斷、腫瘤診斷、自身免疫性疾病的診斷;9、生物學(xué)、免疫學(xué)、環(huán)境醫(yī)學(xué)和營養(yǎng)學(xué)。NCF950激光共聚焦顯微鏡配置NCF950激光共聚焦配置表激光器激光405 nm、488 nm、561 nm、640 nm探測器波長:400-750nm,探測器:3個獨立的熒光檢測通道;1個DIC透射光檢測通道掃描頭最大像素大小:4096 x 4096 掃描速度:2 fps(512 x 512像素,雙向),18 fps(512 x 32像素,雙向),圖像旋轉(zhuǎn): 360°掃描模式X-T, Y-T, X-Y, X-Y-Z, X-Y-Z-T針孔無級變速六邊形電動針孔;調(diào)節(jié)范圍:0-1.5毫米共焦視場φ18mm內(nèi)接正方形圖像位深12bits配套顯微鏡NIB950全電動倒置顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)NIS60無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)(F200)目鏡(視野)10×(25),EP17.5mm,視度可調(diào)-5~+5,接口Φ30觀察鏡筒鉸鏈?zhǔn)饺坑^察鏡筒,45度傾斜,瞳距47-78mm,目鏡接口Φ30,固定視度;1)目/攝切換:(100/0,50/50,0/100);2)目視/關(guān)閉目視/可調(diào)焦勃氏鏡NIS60物鏡10×復(fù)消色差物鏡,NA=0.45 WD=4.0 蓋玻片=0.1720×復(fù)消色差物鏡,NA=0.75 WD=1.1 蓋玻片=0.1760×半復(fù)消色差物鏡,NA=1.40 WD=0.14 蓋玻片=0.17 油鏡100×復(fù)消色差物鏡,NA=1.45 WD=0.13 蓋玻片=0.17 油鏡物鏡轉(zhuǎn)換器電動六孔轉(zhuǎn)換器(擴展插槽),M25×0.75聚光鏡6孔位電動控制:NA0.55,WD26;相襯(10/20,40,60選配)DIC(10X,20X/40X)選配.空孔照明系統(tǒng)透射柯拉照明,10W LED照明;落射照明:寬場光纖照明6孔位電動熒光轉(zhuǎn)盤(B,G,U標(biāo)配);電動熒光光閘;中間倍率切換手動1X,1.5X、共焦切換機身端口分光比:左側(cè):目視=100:0;右側(cè):目視=100:0;平臺電動控制:行程范圍130 mm x100 mm (臺面325 mm x 144 mm )最大速度:25mm/s;分辨率:0.1μm - 重復(fù)精度:3μm。機械可調(diào)樣品夾板調(diào)焦系統(tǒng)同軸粗微動升降機構(gòu),行程:焦點上7下2;粗調(diào)2mm/圈,微調(diào)0.002mm/圈;可手動和電動控制,電動控制時,最小步進(jìn)0.01um;DIC插板10X,20X,40X插板;可放置于轉(zhuǎn)換器插槽;選配控制搖桿,控制盒,USB連接線軟件軟件:NOMIS Advanced C圖像顯示/圖像處理/分析2D/3D/4D圖像分析,經(jīng)時變化分析,三維圖像獲得及正交顯示,圖像拼接,多通道彩色共聚焦圖像
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2022-05-07 14:00:52近紅外二區(qū)小動物活體成像應(yīng)用 | 研發(fā)X光激發(fā)的NIR-II余輝發(fā)光材料
背景介紹傳統(tǒng)的熒光(Fluorescence)組織成像,是將成像組織置放于不斷發(fā)射特定波長的光源照射下進(jìn)行。受同一個光源照射影響,周圍的組織自體同樣會產(chǎn)生熒光,稱為背景熒光。背景熒光的存在將使得信噪比下降,不利于對目標(biāo)組織進(jìn)行成像。因而近幾年,科研工作者開始尋求一種新的發(fā)光成像——余輝發(fā)光(Persistent luminescence)。余輝發(fā)光是物體在照射光源并撤去光源后,持續(xù)發(fā)光的現(xiàn)象。因為發(fā)光時不再接受光源照射,因而在應(yīng)用于組織成像時,能夠減少自體熒光背景的影響,提高信噪比(圖1)。 圖1 熒光和余輝發(fā)光的原理對比圖(藍(lán)色箭頭為激發(fā)光;綠色箭頭為散射光;紅色箭頭為發(fā)射光;褐色箭頭為背景熒光。強度可參考箭頭粗細(xì))  盡管余輝發(fā)光有如此明顯的優(yōu)勢,目前涉及的材料仍有以下幾個問題:1、材料主要為大型晶體,涉及高溫的合成環(huán)境并缺乏納米結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)上的可調(diào)性;2、材料成像多為可見光和NIR-I,成像深度有限;3、激發(fā)材料發(fā)光的波長多為可見光或紫外,能量低,不利于材料能量富集;4、一些可富集高能量的由X光激發(fā)的材料所發(fā)射的波長在可見光和NIR-I范圍內(nèi),成像深度同樣有限。 材料研發(fā) 針對以上問題,Peng Pei等人通過在NaGdF4、NaGdF4納米粒子中加入鑭系元素?fù)诫s劑,成功合成出了X光激活的余輝發(fā)光納米粒子(Persistent luminescence nanoparticles,PLNPs)。通過調(diào)整加入的元素種類,使得PLNPs具有可調(diào)諧性,且均在NIR-II波段內(nèi)(圖2)。圖2 通過摻入不同的稀土元素(Er、Tm、Ho、Nd)調(diào)整納米粒子在NIR-II波長段的發(fā)射波長 材料優(yōu)化 文章中涉及的主體材料有NaYF4、NaGdF4 兩種,因而可優(yōu)化的方向較多。作者首先將作為主體的NaGdF4、NaGdF4 同時應(yīng)用于一個納米粒子中,形成殼核結(jié)構(gòu)。之后對納米粒子的摻雜劑濃度、核體積、殼厚度、結(jié)晶相(Crystalline phase)、主體基質(zhì)(Host matrix)等性質(zhì)進(jìn)行的考察。其中對于主體基質(zhì),作者發(fā)現(xiàn)殼核使用同一種主體材料(NaYF4或NaGdF4)將獲得更高的納米粒子發(fā)光強度。這可能是由于同一種主體材料原子大小相同,使得晶體的缺陷(Defect)更少。 體內(nèi)成像 優(yōu)化后的Er-PLNPs進(jìn)行了小鼠的腹部血管成像和輸尿管成像測試。在腹部血管成像測試中,相對于熒光成像,余輝發(fā)光成像獲得了更高的腫瘤/正常組織亮度比(T/N ratio),尤其在注射后的5 min時,可達(dá)到熒光成像信噪比的3.7倍。而在輸尿管成像測試中,作者在小鼠腎盂部位注射后,腎盂、輸尿管和膀胱都能夠在NIR-II成像中觀察到,其T/N比相對于熒光成像達(dá)到了4.1倍。 圖3 余輝發(fā)光納米粒子(上)與熒光納米粒子(下)分別在注射后 5、10、20 min 得到的NIR-II成像  圖4 余輝發(fā)光納米粒子(紅)與熒光納米粒子(藍(lán))注射后的腫瘤與正常組織信號強度比(T/N ratio) 小結(jié) 憑借可調(diào)諧的NIR-II成像波長、高信噪比、高分辨率、低細(xì)胞毒性等特點,Peng Pei等人的成果大大拓展了現(xiàn)有X光激發(fā)的余輝發(fā)光材料的種類和應(yīng)用場景。但同時,發(fā)光效率仍有待提高,降低用于激發(fā)的X光劑量使其達(dá)到安全門檻也是今后拓展研究的重要方向。 參考文獻(xiàn)[1] Pei, P., Chen, Y., Sun, C. et al. X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging. Nat. Nanotechnol. 16, 1011–1018 (2021).   锘海 SWIR 1.0 近紅外二區(qū)活體熒光成像系統(tǒng)采用低噪聲和高靈敏度的進(jìn)口InGaAs 紅外探測器,結(jié)合動物氣體麻醉裝置及便捷的操作界面,實現(xiàn)實時熒光信號成像。通過鏡頭切換,可分別完成寬場和局部放大成像,具有非常高的熒光信號采集能力。高幀頻不僅可以實現(xiàn)單幅圖片采集,更可以完成視頻拍攝,幫助您捕獲整個實驗過程。 锘海-近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng) 往期推薦:● 近紅外二區(qū)小動物活體成像——高信噪比雙成分造影劑協(xié)助腫瘤手術(shù)成像● 近紅外二區(qū)小動物活體成像 —— 呼吸速率監(jiān)控● 近紅外二區(qū)小動物活體成像 —— 稀土納米顆粒協(xié)助腫瘤切除手術(shù)
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2023-06-28 14:01:21用戶前沿丨復(fù)旦張凡教授團隊《Nat. Nanotech.》: 構(gòu)建近紅外第二窗口新型稀土熒光探針用于實時動態(tài)的活體多重?zé)晒獬上?/a>
熒光成像技術(shù)具有非侵入性、即時反饋、高靈敏度以及高空間分辨率的特點,這使得其在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。而借助于多種熒光探針同時標(biāo)記多個待測物的多重?zé)晒獬上窦夹g(shù)的出現(xiàn)為研究復(fù)雜的生理-病理機制提供了有效的研究方法。然而在實際應(yīng)用中,該技術(shù)仍然存在成像深度淺、成像分辨率和信噪比低以及無法多通道動態(tài)實時成像等諸多的挑戰(zhàn),其中缺乏高效的近紅外熒光探針以及能夠進(jìn)行實時多重?zé)晒獬上竦膬x器是阻礙這一技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的至關(guān)重要的因素。因此,能否開發(fā)系列近紅外區(qū)熒光增強的探針以及相匹配的多通道實時成像的裝置來解決上述難題呢?近日,Nature Nanotechnology期刊在線發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張凡教授團隊的科研成果“Fluorescence amplified nanocrystals in the second near-infrared window for in vivo real-time dynamic multiplexed imaging”),為以上難題的攻克提供了全新的思路。這也是復(fù)旦大學(xué)通過交叉學(xué)科研究取得的又一重大成果。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系2019級博士生楊一唯、陳瑩為第 一作者;復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張凡教授、凡勇青年研究員為通訊作者。▌技術(shù)進(jìn)步:近紅外熒光成像逐步應(yīng)用于實時動態(tài)的活體多重成像熒光是自然界中的一種光致發(fā)光現(xiàn)象。由于其靈敏度高、即時反饋、操作便捷等特點,使得熒光成像在臨床醫(yī)學(xué)診斷、基礎(chǔ)生物學(xué)探索及解剖學(xué)結(jié)構(gòu)研究中有著巨大的優(yōu)勢。而借助于多種熒光探針同時標(biāo)記多個待測物的多重?zé)晒獬上窦夹g(shù),研究人員能夠?qū)Χ鄠€待測物的活動進(jìn)行實時動態(tài)的追蹤,有利于揭示生物體復(fù)雜的生理-病理機制。目前該成像技術(shù)主要集中在可見光區(qū)(400-650 nm)及近紅外一區(qū)(650-900 nm),由于存在生物組織對該窗口光的吸收和散射強等問題,使得在這個窗口內(nèi)的光學(xué)穿透深度和成像分辨率都不理想。為了解決這個問題,研究人員通常會采用手術(shù)開辟視窗的方法來暴露所研究的部位,從而期望能夠更精 準(zhǔn)理解活體原位微環(huán)境的生理機制,但視窗不可避免地對正常生理環(huán)境造成破壞,為檢測結(jié)果帶來不可控的干擾。因此如何在深層組織中實現(xiàn)多重?zé)晒獬上袷亲璧K這一技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的至關(guān)重要的問題。近年來的研究表明,近紅外第二窗口的光(1000-1700 nm)在皮膚、脂肪和骨骼等生物組織中傳播時受到比可見光和近紅外一區(qū)光更小的散射作用和生物體自發(fā)熒光背景噪聲。尤其對于波長位于1500-1700 nm的子成像窗口,其受到的組織散射進(jìn)一步降低,生物體自發(fā)熒光背景噪聲幾乎消失,因此被認(rèn)為是一個實現(xiàn)活體深組織高分辨和高信噪比成像極具發(fā)展?jié)摿Φ纳铩巴该鳌贝翱?。然而位于該“透明”成像窗口的動態(tài)多重活體熒光成像研究仍舊不理想,一方面是受限于該成像窗口可用的熒光探針,目前已報道的只有基于Er3+的稀土熒光探針以及半峰寬度大的半導(dǎo)體量子點;另一方面是缺乏相應(yīng)能夠進(jìn)行實時多重?zé)晒獬上竦难b置和技術(shù),因此無法在活體實現(xiàn)實時動態(tài)的多重?zé)晒獬上?。▌研究突破:開發(fā)熒光增強的近紅外稀土熒光探針及雙通道熒光成像裝置實現(xiàn)實時動態(tài)的多重活體熒光成像針對以上難題,張凡教授團隊開發(fā)了一系列立方晶相的稀土堿金屬氟化物納米熒光探針,并搭建了雙通道熒光成像裝置,在1500-1700 nm波段實現(xiàn)了活體實時動態(tài)的多重成像。傳統(tǒng)的研究中,由于六方晶相的稀土堿金屬氟化物(β-NaREF4)具有較小的聲子能,從而導(dǎo)致更低的非輻射弛豫概率,通常被認(rèn)為更加有利于提高發(fā)光效率,因此作為一種經(jīng)典的稀土探針基質(zhì)而廣泛使用。而在張凡團隊成員發(fā)現(xiàn),相較于β-NaREF4基質(zhì),在立方晶相的堿金屬氟化物(α-NaREF4)基質(zhì)中,Tm3+摻雜的稀土熒光探針在1632 nm處中有近百倍的下轉(zhuǎn)移發(fā)光增強。通過拉曼光譜、變溫?zé)晒饧肮庾訑?shù)測試證明α-NaREF4基質(zhì)較高的聲子能有效地促進(jìn)Tm3+的電子從3H4能級通過非輻射躍遷的方式到達(dá)3F4能級,從而增強了3F4能級的電子布居,且立方相基質(zhì)中激活劑離子間的交叉弛豫以及激活劑離子與敏化劑離子之間的能量傳遞過程也進(jìn)一步導(dǎo)致了Tm3+在1632 nm處的下轉(zhuǎn)移發(fā)光增強。基于此熒光增強機理,也實現(xiàn)了Er3+和Ho3+摻雜的近紅外稀土熒光探針在1530 nm和1180 nm處不同程度的下轉(zhuǎn)移發(fā)光增強。該Tm3+元素?fù)诫s的新型近紅外稀土熒光探針為近紅外二區(qū)多重?zé)晒獬上裉峁┝诵碌牟ㄩL選擇。圖1:(a-b) Tm3+摻雜的立方相納米顆粒核殼結(jié)構(gòu)示意圖及電鏡圖;(c-d) Tm3+摻雜的立方相及六方晶相納米顆粒發(fā)射光譜及不同波長處發(fā)光強度柱狀圖;(e) 低溫吸收光譜;(f) 基于Tm3+、Er3+、Ho3+摻雜的立方相納米顆粒發(fā)射光譜及脂肪乳劑的吸收、散射曲線;(g) Yb-Tm體系能量傳遞機理;(h)Er3+和Ho3+元素?fù)诫s的立方相和六方相納米顆粒的發(fā)射光譜及熒光成像圖。針對所開發(fā)的系列近紅外第二窗口熒光增強的新型稀土熒光探針,進(jìn)一步開發(fā)了與之匹配的高時空同步的實時動態(tài)多重成像裝置。與常規(guī)通過切換濾光片實現(xiàn)多通道成像的系統(tǒng)相比,該成像裝置能夠?qū)蓚€不同通道的熒光信號進(jìn)行實時同步收集,體外不同熒光探針同時修飾的不同微球運動模擬實驗也驗證了裝置能夠保證雙通道高度同步的時空成像,為后續(xù)多種新型近紅外稀土熒光探針用于活體實時動態(tài)多重?zé)晒獬上翊蛳禄A(chǔ)。最 后,在生物組織精細(xì)結(jié)構(gòu)水平上驗證了該成像技術(shù)用于探索深組織生理活動機制的可行性。首先通過對不同近紅外稀土熒光探針表面進(jìn)行功能化修飾,實現(xiàn)了對活體小鼠腦部血管網(wǎng)絡(luò)中各級血管的區(qū)分。團隊隨后使用激素刺激小鼠來模擬神經(jīng)對血流的調(diào)控作用,利用該成像技術(shù)能夠在不開辟顱窗的情況下實現(xiàn)對小鼠動脈血管的舒縮運動進(jìn)行實時動態(tài)的監(jiān)測,有望為血液動力學(xué)研究提供更加精 準(zhǔn)的信息。為進(jìn)一步探索該成像技術(shù)用于活體深組織多重?zé)晒獬上竦臐摿?,團隊利用開發(fā)的新型近紅外稀土熒光探針特異性地 標(biāo)記了小鼠的中性粒細(xì)胞,通過該成像技術(shù)實現(xiàn)了在單細(xì)胞水平上的免疫反應(yīng)監(jiān)測,能夠?qū)蝹€中性粒細(xì)胞在皮下炎癥部位及腦損傷部位趨化性、外滲、激活等過程進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測。相比于傳統(tǒng)的成像方法,該近紅外新型稀土熒光探針及雙通道實時成像技術(shù)有效避免了開辟視窗造成組織損傷對觀測結(jié)果帶來的干擾,為在活體水平研究細(xì)胞免疫反應(yīng)提供了新的思路。圖2:(a-b) 基于新型近紅外熒光探針構(gòu)建的活體動態(tài)多重成像方案,實現(xiàn)了小鼠腦部血管舒縮運動的實時動態(tài)監(jiān)測;(c-f) 基于新型近紅外熒光探針構(gòu)建的活體動態(tài)多重成像方案,實現(xiàn)了對中性粒細(xì)胞在皮下炎癥部位趨化作用及外滲過程的實時動態(tài)監(jiān)測和分析。(g-i) 基于新型近紅外熒光探針構(gòu)建的活體動態(tài)多重成像方案,實現(xiàn)了在腦卒中小鼠腦損傷部位激活態(tài)中性粒細(xì)胞免疫反應(yīng)的實時動態(tài)成像。目前,盡管該研究已經(jīng)取得了較好的初步應(yīng)用效果,未來還需要更進(jìn)一步地提高探針的發(fā)光效率以及增加熒光發(fā)射通道,從而滿足對活體內(nèi)更高成像速度、更深組織成像以及更高通量多重檢測應(yīng)用的需求。此外,改善熒光探針的功能修飾特性,增強與前沿生物與成像技術(shù)的兼容性等問題仍然有待后續(xù)研究。但是這一科研成果所點亮的諸多可能,都將為化學(xué)與材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域拓寬研究視野。研究工作得到了復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、聚合物工程國家重 點實驗室、上海市分子催化和功能材料重 點實驗室、國家重 點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金委員會、上海市科學(xué)技術(shù)委員會等機構(gòu)與項目的大力支持。原文鏈接https://doi.org/10.1038/s41565-023-01422-2
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