圖1 SWIR量子點(diǎn)用于下一代活體光學(xué)成像

為了了解生理和疾病中涉及的分子和細(xì)胞機(jī)制，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究越來越多地以在體內(nèi)非侵入性成像為主。然而，當(dāng)對(duì)整個(gè)生物進(jìn)行成像時(shí)，仍然存在一些會(huì)降低熒光成像靈敏度、采集速度和空間分辨率的生物障礙，如組織或細(xì)胞的自身熒光會(huì)增加背景信號(hào)，降低對(duì)比度，從而降低靈敏度;血液和其他組織對(duì)激發(fā)和發(fā)射光的吸收和散射，會(huì)限制信號(hào)檢測(cè)和影響采集速度;散射會(huì)限制作為深度函數(shù)的空間分辨率，使獲得的圖像模糊。

短波紅外區(qū)域成像(SWIR;1000 – 2000nm)可同時(shí)解決所有這些挑戰(zhàn)，生物組織在SWIR區(qū)域的最小自熒光會(huì)增加靈敏度，而由血液和其他結(jié)構(gòu)散射和吸收造成的光衰減也顯著減少，使成像具有高時(shí)空分辨率和穿透深度。然而，由于缺少多功能和功能性SWIR發(fā)光材料，使生物醫(yī)學(xué)研究普遍采用SWIR成像技術(shù)受阻。

基于此，美國(guó)麻省理工Oliver T. Bruns課題組介紹了一種高質(zhì)量SWIR發(fā)光的基于InAs的 Core–Shell (CS)和 Core–Shell–Shell (CSS)量子點(diǎn)(Quantum Dots, QDs)材料，它們可以很容易地為各種功能成像應(yīng)用進(jìn)行修改，其發(fā)射范圍大小可調(diào)，并且比先前的SWIR探針具有更高的發(fā)射量子效率。

為了展示這種SWIR量子點(diǎn)前所未有的穿透深、空間分辨率高、多色成像和快速采集等優(yōu)點(diǎn)， 該課題組展示了三種不同的表面涂層，如圖1，以此量化小鼠體內(nèi)幾個(gè)器官同時(shí)和實(shí)時(shí)的脂蛋白代謝更替率，以及清醒和不受約束動(dòng)物的心跳和呼吸率，并生成小鼠大腦血管系統(tǒng)詳細(xì)的三維定量血流圖。

圖2 SWIR量子點(diǎn)發(fā)射光譜

如圖1所示，該課題組以InAs作為起始材料，覆蓋由更高帶隙材料組成的殼層，產(chǎn)生各種寬吸收、明亮且穩(wěn)定發(fā)光的InAs CS (InAs - CdSe和InAs - CdS)和CSS (InAs - CdSe - CdS和InAs - CdSe - ZnSe)量子點(diǎn)。這些量子點(diǎn)發(fā)射光譜如圖2。

圖3 在麻醉和清醒小鼠中使用QD磷脂膠束的SWIR成像以及監(jiān)測(cè)的心率和呼吸頻率

SWIR QD磷脂膠束允許長(zhǎng)時(shí)間的血液循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)血管造影和相關(guān)應(yīng)用，如能夠評(píng)估和定量鎮(zhèn)靜和清醒小鼠的心率和呼吸，圖3中展示了在麻醉和清醒小鼠中使用QD磷脂膠束的SWIR成像以及監(jiān)測(cè)的心率和呼吸頻率。

圖4 SWIR QD納米粒代謝成像

將量子點(diǎn)整合到脂蛋白(SWIR量子點(diǎn)納米粒)中，可以實(shí)時(shí)成像激活組織和器官的能量代謝，如圖4。

圖5 QD復(fù)合粒子的活體成像

此外，這些SWIR QD復(fù)合粒子使我們能夠通過在活體顯微鏡中跟蹤單個(gè)復(fù)合顆粒來量化大腦血管中的血流，這允許可視化健康血管和腫瘤邊緣血管中血流的顯著差異，具有足夠的空間和時(shí)間分辨率來測(cè)量單個(gè)毛細(xì)血管的流量。

其中，為了探測(cè)CS 和CSS QDs的900nm-1300nm波段的發(fā)射光譜，該課題組采用了普林斯頓儀器液氮制冷線性InGaAs OMA V(現(xiàn)PyLoN IR)相機(jī)和SP300i(現(xiàn)HRS300)光譜儀進(jìn)行采集探測(cè)。

該課題組采用普林斯頓儀器的NIRvana相機(jī)與多種濾波片結(jié)合采集上圖3和圖4中的宏觀的SWIR圖像，還通過將NIRvana連接到顯微鏡的側(cè)出口采集圖5中的微觀上的活體SWIR圖像。

審核編輯 黃宇