實時動態光學成像系統在生命科學和生物醫學工程中一直是受到廣泛關注的研究熱點。該成像系統在可以實時觀測樣本的基礎之上，還具有高靈敏度、高時空分辨率等獨特優勢。特別是，實時動態多重成像系統對研究由復雜生物相互作用調節的病理、生理過程至關重要，如細胞介導的免疫反應、心血管疾病相關的血液動力學和神經元電路的潛在波動等。然而迄今為止，這些研究的實現主要依賴于多光子熒光顯微鏡和可見熒光探針(波段集中在400-700 nm)。

最近，NIR-II窗口成像技術在非侵入性生物成像方面取得了進展。由于光子散射和生物組織自發熒光會隨著波長變長而逐漸減少，更深的穿透深度得以實現。目前，對NIR-II多重生物成像動態過程的觀測主要方法都是對單一探測器進行多幀合成(更換濾波片)，但這種方法犧牲了多個信號的時間同步性。盡管NIR-II時間分選技術和脈沖交替激發方法可以改善時間分辨率，但在快速生物過程中，壽命分辨或激發切換仍然會導致熒光信號不可避免的損失。因此，實現非侵入性實時動態多重成像以有效可視化血液動力學和多細胞動力學仍是一個具有挑戰性且未被充分探索的領域，尤其在體內生物成像方面。

文章介紹了一種新的策略，使用基于釹的立方相下移納米顆粒來增強熒光(thulium-based cubic-phase downshifting nanoparticles)，并在 NIR-IIb 子窗口中探索了光學成像的潛力。同時，作者們開發了一種同步雙通道成像系統，可以在各種生物環境下進行非侵入性實時動態多重成像。文章還介紹了該技術在小鼠模型中對腦血管血管運動活動和中性粒細胞行為的非侵入性實時動態多重成像的應用。

同步雙通道成像系統的優勢

同步雙通道成像系統的優勢在于可以實現高度的時空同步和準確性，從而實現非侵入性實時動態多重成像。這種系統可以同時捕獲兩個不同的成像信號，從而提高了成像的信息量和準確性。此外，該系統還可以在不同的生物環境下進行應用，包括研究免疫細胞、心血管疾病和神經元電路等方面。這些優勢使得同步雙通道成像系統成為一種有前途的生物成像技術。

同步雙通道成像系統組成

概括來看，同步雙通道成像系統由以下幾部分組成：

1. 高分辨率成像設備：該系統包括一臺高分辨率的成像設備，如多光子熒光顯微鏡或其他適用于NIR-IIb波段的成像設備。

2. 長通分光鏡：為了實現雙通道成像，系統中包括一個1,600nm的長通分光鏡，用于將不同光譜的熒光信號分離成兩個不同的光束。

3. 濾光片：每個通道可能配備了濾光片，以確保高通道單色性。

4. InGaAs探測器：系統使用來自Teledyne Princeton Instruments的NIRvana-640探測器來接收和檢測NIR-IIb波段的熒光信號。

5. 熒光探針：研究中使用了α-TmNPs和α-ErNPs作為熒光探針，用于實現雙通道成像。

圖2：同步雙通道成像系統簡化示意圖

同步雙通道成像系統的應用領域有哪些

與波長更短的NIR-II區域(1000-1400 nm)相比，NIR-IIb(1500-1700 nm)子窗口在血管成像方面具有顯著優勢，特別是對于通過完整顱骨進行腦血管的非侵入式成像。在Tm-Ch(11.3-21.3)和Er-Ch(7.7-15.3)通道中，與Ho通道(1.1-1.3)相比，信號與背景的比率約為7-16倍更高。

圖3：小鼠顱內血管NIR-IIb窗口(Tm通道、Er通道)與NIR-II更短波長窗口信號/背景比率

圖4：小鼠全身血管成像NIR-IIb窗口(Tm通道、Er通道)與NIR-II更短波長窗口信號/背景比率

NIR-IIb區比NIR-II區的優勢在哪里

同步雙通道成像系統在生物成像領域有廣泛的應用：

1. 免疫學研究：同步雙通道成像系統可以用于觀察和分析免疫細胞的行為，如單個細胞的遷移、相互作用和功能。

2. 心血管疾病研究：該系統可以用于實時觀察和分析心血管系統的血流動力學，如血管收縮、擴張和血流速度的變化。

3. 神經科學研究：同步雙通道成像系統可以用于研究神經元電路的活動和功能，如神經元的興奮和抑制、突觸傳遞和神經網絡的活動。

4. 腫瘤研究：該系統可以用于觀察和分析腫瘤的生長、轉移和治療反應，從而幫助研究人員了解腫瘤的發展機制和評估治療效果。

5. 組織工程和再生醫學：同步雙通道成像系統可以用于研究和評估組織工程和再生醫學領域的生物材料和細胞的生長、分化和功能。

這些應用領域只是同步雙通道成像系統的一部分，隨著技術的不斷發展和創新，它在生物成像領域的應用前景將會更加廣闊。

審核編輯 黃宇