圖1：近紅外I與近紅外II：分辨率與穿透深度。圖片和圖表由斯坦福大學Dominik J. Naczynski博士提供，改編自Lim， Y.T.等人《Mol成像》。(2003)第2頁，第50頁。隨著全球許多研究團隊正在開發和評估適合小動物成像的新型NIR-II探針，科學家們現在開始更多地關注疾病檢測、形態學和藥物檢測在人體患者的臨床應用。

介紹

紫外線、可見光和近紅外I檢測方法已在各種科學和醫學領域使用數十年。然而，這些方法各有局限性。例如，紫外和可見光波長的光通過硅基CCD技術很容易被檢測，但由于反射和散射，無法穿透樣品。

新型CCD相機能夠探測從750納米到近1100納米的近紅外-I波長，從而實現對樣品的輕微穿透。不幸的是，超過這個閾值硅對光是透明的。此類CCD攝像機在藥物發現應用中的應用有限。

近紅外二窗波長范圍可達1700納米，實現了更深的樣品穿透(見圖1)。在InGaAs和InSb探測器的推動下，近紅外II(又稱短波紅外或SWIR)開辟了科學和醫學應用的新領域。

圖1：近紅外I與近紅外II：分辨率與穿透深度。圖片和圖表由斯坦福大學Dominik J. Naczynski博士提供，改編自Lim， Y.T.等人《Mol成像》。(2003)第2頁，第50頁。隨著全球許多研究團隊正在開發和評估適合小動物成像的新型NIR-II探針，科學家們現在開始更多地關注疾病檢測、形態學和藥物檢測在人體患者的臨床應用。

NIR-II 熒光內鏡用于結直腸癌成像

最近，中美兩國的一支多學科合作研究團隊設計、構建并描述了一種內鏡系統，用于對結直腸癌進行靶向紅外II熒光成像[1]。團隊利用新型NIR-II內鏡成像系統評估合成熒光分子探針——哆氰酸綠色(ICG)結合貝伐單抗(Bev-ICG)，該探針靶向血管內皮生長因子(VEGF)，這是一種在大多數結直腸癌中過度表達的重要生物標志物。

該研究由遼寧沈陽東北大學分子醫學聯合實驗室劉洪光博士的研究組主導，部分資金來自中國自然科學基金會、遼寧省級醫院臨床能力建設項目及中國博士后科學基金資助。

研究人員指出，雖然內鏡是檢查中空器官或體腔內部的臨床金標準，但他們是首個報告使用近紅外II熒光內鏡進行結直腸癌靶向檢測的專家。其創新的內鏡成像系統能夠同時獲取和顯示白光(WL)和近紅外二型熒光，在近紅外二區實現20微米的亞細胞分辨率，實現清晰圖像。使用Teledyne Princeton Instruments的科學InGaAs相機進行結直腸腫瘤生物標志物的實時、非侵入性體內近紅外II成像(見圖2)。

圖2：代表性腫瘤的同時進行白光和熒光圖像。(a， b)白細胞中可見的腫瘤熒光明顯增加。(c， d) 代表性腫瘤圖像，這些圖像在白光影像中容易被忽略，但在熒光成像中卻很明顯。圖片由劉洪光博士提供(東北大學分子醫學聯合實驗室，遼寧沈陽，中國)。首次發表于Adv.Healthcare Mater。2019, 1900974.

與使用可見光激發的近紅外I型熒光成像不同，近紅外II熒光成像的激發波長通常處于(不可見的)近紅外I范圍。因此，傳統的內鏡成像過程無需中斷即可收集NIR-II熒光數據。NIR-II熒光圖像可以與白光成像同步生成和顯示，使研究人員能夠實時通過熒光探針可視化組織形態和分子特征。未來利用具有更強熒光發射的分子探針應用于NIR-II區域，預計將進一步提升NIR-II內鏡系統的組織特性識別靈敏度。

從設計上講，新系統可以輕松適應配備標準聯結器的內窺鏡系統。研究人員預計，類似的硬件升級將極大促進近紅外II熒光成像在臨床環境中的應用。

循環系統和骨骼系統的近紅外二型熒光成像

鄭振博士是斯坦福大學放射學副教授，是上述NIR-II內鏡系統合作研究團隊成員。程博士在斯坦福的實驗室致力于開發新型分子成像探針和技術，實現癌癥及其轉移早期的無創檢測。

Cheng博士研究開發的技術使得對癌癥的分子、代謝和生理特征及其治療反應進行了深入考察。他的實驗室鑒定了具有重要臨床意義的新型癌癥生物標志物，開發探針制備的新化學方法，并驗證了利用近紅外II熒光成像進行高通量探針篩選的新策略[2-6]。

在最近的一項項目中，程博士及其同事對循環系統進行了體內成像，比較了實驗室設計并裝載生物相容性人類血清白蛋白(HSA)以提升量子產率的多種近紅外二型有機小分子探針CQ-T(CQ-1-4T)。實驗記錄了發射光譜、量子產率以及使用Teledyne普林斯頓儀器的InGaAs相機的體內近紅外II圖像(見圖3)。

圖3：體內腫瘤血管網絡的體內近紅外II成像及手術導航。(A-C)在體內對患有異種移植骨肉瘤的裸小鼠進行體內NIR-II熒光成像，分別在靜脈注射CQL后10分鐘內記錄。(d)高倍率(c)和紅色箭頭顯示了豐富的不規則分支和腫瘤支持血管的毛細血管網絡。(e， f)使用了患有股骨正位骨肉瘤的裸鼠，并在CQL注射后不久切開腫瘤周圍皮膚。腫瘤血液供應分支(紅箭頭)從股動脈暴露。(G-J)采用血管夾法，通過結扎和切除腫瘤支持血管分支，誘導主要腫瘤支持血管的暫時阻斷。黃色箭頭表示血管夾具引起的栓塞。(k)腫瘤轉移的血液供應，源自腹動脈(紅色箭頭)及血管夾誘導栓塞(黃色箭頭)。(l)結扎和解離的正位骨肉瘤及轉移的體外NIR-II影像。比例桿：4.0毫米。圖片由斯坦福大學鄭鄭博士提供。首次發表于《Adv. Funct》雜志。Mater。2019, 1906343.

在評估的探針系列中，研究人員發現了一種CQL(CQ-4T/HSA)，其光學性能優越，熒光率比單純小分子高出6.65倍。配合無創、非輻射的近紅外II成像方式，CQL使得在體內可視化和監測循環系統相關的生理和病理過程(包括血栓、周圍動脈疾病、腫瘤血管生成和淋巴引流)實現了多功能成像。

在NIR-II影像導航手術中，CQL能夠幫助醫生更準確地實施腫瘤和哨兵淋巴結活檢的干預，且副作用更少。研究人員總結指出，高分辨率、優異的生物相容性和良好的體內表現使CQL成為未來臨床前應用和臨床轉化的有前景候選。

程博士實驗室的另一項近期研究探討了基于DSPEmPEG封裝稀土摻雜納米顆粒RENPs@DSPE-mPEG，該粒子對骨骼具有固有親和力，但不連接任何靶向配體[見圖4]。

圖4：C57BL/6小鼠(n=3)骨在NIR-IIa 1345納米(1250納米長通濾波片，曝光時間1000毫秒)窗口(a、b、c)及相應CT成像(d、e、f)中近紅外二次成像。比例尺：10毫米。圖片由斯坦福大學鄭鄭博士提供。首次發表于Nano。20195月8日; 19(5):2985-2992.

這種非侵入性、非放射的骨骼系統定位和骨病診斷策略同樣適用于血管和淋巴結。值得注意的是，RENPs@DSPEmPEG可被循環白細胞內化，這可能提高免疫治療中的納米顆粒遞送效率，并提升癌癥靶向納米顆粒在臨床應用中的診斷和治療效果。

賦能技術

Teledyne Princeton Instruments 的 NIRvana? 系列 InGaAs 相機通過多項科學性能特性區別于其他 InGaAs 相機，包括深度冷卻、低暗噪聲、高線性度、低讀數噪聲、高幀率、智能軟件以及對積分時間的精確控制。

首先，無需維護的熱電冷卻(非液氮)能將NIRvana 640相機的InGaAs探測器冷卻至-85°C。 這種深度冷卻結合了專有的冷屏蔽設計和真空技術，以實現最低的暗噪聲，這有助于提高靈敏度并保持信噪比(SNR)以適應長時間曝光。

NIRvana 640相機的曝光時間可短達2微秒，最長可達幾分鐘。超低噪聲讀出電子設備確保即使在攝像機最高110幀/秒運行時也能保持良好的信噪比。此外，出色的相機線性度使其在醫學研究中極為可靠。

Teledyne Princeton Instruments的64位LightField?軟件作為選裝，提供強大且易用的界面，使研究人員能夠隨時掌握實時在線處理能力。NIRvana相機也可以通過現有的國家儀器LabVIEW?工具包集成到更大型的實驗中。提供與外部設備同步的完全觸發支持。

審核編輯 黃宇