本文要點：通過熒光引導(dǎo)手術(shù)（FGS），可以大大提高實體瘤患者的手術(shù)準(zhǔn)確性。然而，現(xiàn)有的FGS技術(shù)由于其低穿透深度和靈敏度/選擇性而存在局限性，這在相對較短的成像窗口（<900 nm）中尤為普遍。使用近紅外二區(qū)（NIR-II）FGS，通過在長成像窗口（>900 nm）下的低自發(fā)熒光和散射，可以有效解決這些問題。然而，有機染料固有的自組裝性導(dǎo)致材料在主要器官大量積累，導(dǎo)致明顯的背景信號和潛在的長期毒性。
本文基于供體-受體-供體的染料的供體結(jié)構(gòu)，以控制自組裝過程。最終控制形成超小染料納米團(tuán)簇，從而促進(jìn)腎臟排泄并減少背景信號。該染料納米團(tuán)簇不僅可以顯示清晰的血管成像、腫瘤和腫瘤前哨淋巴結(jié)的定位，還可以實現(xiàn)腫瘤陽性前哨淋巴結(jié)的高性能NIR-II成像引導(dǎo)手術(shù)。通過這項研究表明，基于染料納米團(tuán)簇的 NIR-II FGS 顯著改善了淋巴結(jié)清掃術(shù)的結(jié)果。
小動物活體成像系統(tǒng)
這項研究的目標(biāo)是通過合理地設(shè)計供體結(jié)構(gòu)，來控制S-D-A-D-S染料的組裝過程。研究結(jié)果表明，將己基叔（乙二醇）鏈連接到呋喃供體會導(dǎo)致 S-D-A-D-S 染料組裝成小的納米團(tuán)簇。這些染料納米團(tuán)簇可以通過腎臟迅速排泄，并且不會積聚在肝臟和骨髓等免疫器官中。染料納米團(tuán)簇提供高性能的NIR-II血管造影和淋巴造影。它們還能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的 NIR-II 成像引導(dǎo)手術(shù)，使腫瘤相鄰的前哨淋巴結(jié)通過光學(xué)成像進(jìn)行區(qū)分，從而顯著改善小鼠模型中原位乳腺癌腫瘤手術(shù)的結(jié)果（圖 1）。該方法可以克服 FGS 近紅外 II 探針的局限性，并為更有效和準(zhǔn)確的成像引導(dǎo)手術(shù)干預(yù)鋪平道路。
圖1. 具有腎臟排泄特性的NIR-II BFC6TP 納米團(tuán)簇，可實現(xiàn)高性能NIR-II 成像引導(dǎo)手術(shù)以及淋巴結(jié)（LN）、血管和腫瘤成像。
S-D-A-D-S 染料可控地自組裝成納米團(tuán)簇及其體內(nèi)藥代動力學(xué)
該研究合成了兩個用于 NIR-II 成像的明亮探針，分別命名為 BFC6P 和 BFC6TP，它們與兩條 1.5 kDa 的聚乙二醇 （PEG） 鏈偶聯(lián)（如圖2a，b）。BFC6P和BFC6TP在約730 nm處具有吸收峰，并具有約為1050 nm的NIR-II熒光發(fā)射（圖1）。2c， d）。當(dāng)溶解在水溶液中時，S-D-A-D-S染料可以自發(fā)組裝成納米顆粒。研究發(fā)現(xiàn)，將屏蔽單元從芴改為苯會導(dǎo)致自組裝染料納米團(tuán)簇形成的尺寸減小，導(dǎo)致藥代動力學(xué)從肝膽向腎臟排泄發(fā)生變化。在這項研究中，將供體單元從己基呋喃（BFC6P）替換為己基叔（乙二醇）呋喃（BFC6TP），這導(dǎo)致染料納米團(tuán)簇的尺寸進(jìn)一步減?。▓D2e-j）。DLS測得的水合直徑BFC6TP和BFC6P的水合直徑分別為40.1 nm±8.6 nm和84.7 ± 24.2 nm，而100 k超濾后的粒徑分別為2.9 ± 1.4 nm和3.2 ± 0.2 nm。然而，分子的聚集行為受多種因素的影響，如濃度、溶出緩沖液和溫度，但在所有的體外測量中，BFC6TP納米團(tuán)簇的尺寸始終小于BFC6P納米團(tuán)簇的尺寸。這進(jìn)一步證明了BFC6TP的設(shè)計有效。
圖2. S-D-A-D-S染料可控地自組裝成染料納米團(tuán)簇，而供體工程提供了一種控制自組裝過程的策略，從而形成超小染料納米團(tuán)簇。
體外細(xì)胞毒性和細(xì)胞成像測試證明，我們的染料具有良好的生物相容性和成像能力。然后，研究了小鼠靜脈注射BFC6TP納米團(tuán)簇后BFC6TP納米團(tuán)簇的體內(nèi)藥代動力學(xué)。在前5分鐘內(nèi)，在膀胱中檢測到強熒光信號，而在肝臟中觀察到弱熒光信號（圖2k）。與BFC6P納米團(tuán)簇相比，BFC6TP納米團(tuán)簇表現(xiàn)出更快的腎臟清除率和更低的肝臟蓄積（圖2 l）。在藥代動力學(xué)實驗期間，觀察到熒光信號隨時間推移而耗盡，在 24 小時時間點幾乎消失。此外，從PBS過渡到FBS時觀察到的兩種染料納米團(tuán)簇的尺寸變化表明，兩種類型的納米團(tuán)簇都表現(xiàn)出分解行為。然而，與BFC6TP相比，BFC6P保持了更大的尺寸，這可歸因于BFC6P內(nèi)供體上的烷基鏈導(dǎo)致疏水性增加。這導(dǎo)致肝臟中的保留更大，因此肝臟和腎臟清除率減慢（圖S8）?？偟膩碚f，BFC6TP納米團(tuán)簇的低器官積累提供了更好的成像對比度，快速的腎臟排泄有助于整體生物安全性，使其非常適合NIR-II成像和成像引導(dǎo)手術(shù)（圖2m）。BFC6TP納米團(tuán)簇可實現(xiàn)高性能的NIR-II血管造影、淋巴造影和腫瘤成像BFC6TP納米團(tuán)簇在相對較短的成像窗口內(nèi)提供高性能的NIR-II血管造影。這對于需要重復(fù)影像學(xué)的生物事件或病變部位極為重要，因為相對較短的影像學(xué)窗口具有最小的背景信號和高影像學(xué)對比度。在將BFC6TP納米團(tuán)簇靜脈注射到脫毛的Balb / c小鼠中后，后肢血管逐漸變得可見，在NIR-II成像期間，動脈和靜脈血管在選定的時間點均可區(qū)分，顯示出顯著的成像對比度（圖3a， b）。五個選定感興趣區(qū)域的血管與肌肉的比率均高于 2（圖 4c）。在較長的亞NIR-II窗口下成像進(jìn)一步增強了成像對比度，導(dǎo)致大腦和后肢的血管與肌肉比增加（圖3d 和 e）。
圖3 BFC6TP納米團(tuán)簇可實現(xiàn)高性能的NIR-II血管造影、淋巴造影、成像引導(dǎo)手術(shù)和腫瘤成像。
BFC6TP納米團(tuán)簇還支持高性能的NIR-II淋巴造影和成像引導(dǎo)手術(shù)。腳墊注射BFC6TP納米團(tuán)簇后，NIR-II淋巴造影顯示前哨淋巴結(jié)清晰（圖3f）。瘤內(nèi)注射BFC6TP納米團(tuán)簇后，繪制了時間依賴性LN與肌肉和腫瘤與肌肉的比率（圖3g，h）顯示前哨LN可以清晰地可視化。因此，BFC6TP納米團(tuán)簇有助于通過NIR-II成像引導(dǎo)手術(shù)精確切除腫瘤浸潤性前哨LN。BFC6TP納米團(tuán)簇還提供了位于小鼠乳房的遠(yuǎn)端淋巴結(jié)和遠(yuǎn)端腫瘤的成像。BFC6TP納米團(tuán)簇被發(fā)現(xiàn)沿著淋巴系統(tǒng)遷移到腫瘤，因此對于癌癥手術(shù)期間的術(shù)中腫瘤可視化至關(guān)重要。在患有乳腺異種移植 4T1 腫瘤的小鼠尾部附近皮內(nèi)注射 BFC6TP 納米團(tuán)簇后，探針照亮了前哨淋巴結(jié) （SLN） 和淋巴管系統(tǒng)，隨著時間的推移逐漸出現(xiàn)強烈的腫瘤信號（圖3i）。這表明隨著時間的推移，探針可以從注射部位遷移到 SLN、更高級別的淋巴結(jié)和遠(yuǎn)端腫瘤。在尾部堿基注射后24小時內(nèi)，腫瘤和SLNs保持高度分離，熒光強度相對較高（圖1）。4J）。此外，將BFC6TP納米簇靜脈注射到4T1荷瘤小鼠中可提高NIR-II腫瘤成像能力，在注射后9小時內(nèi)出現(xiàn)腫瘤中的信號積累（圖3k）。循環(huán)24 h后，4T1腫瘤中仍有高信號（圖3l），表明BFC6TP納米團(tuán)簇在內(nèi)部原發(fā)腫瘤被動靶向方面的潛在應(yīng)用。同時識別腫瘤和腫瘤引流 SLN 的能力對各種癌癥（包括乳腺癌和皮膚黑色素瘤）的非侵入性診斷和影像學(xué)引導(dǎo)手術(shù)具有重要意義。BFC6TP納米團(tuán)簇術(shù)中NIR-II成像引導(dǎo)手術(shù)有效抑制腫瘤轉(zhuǎn)移為了實現(xiàn)SLNs的精確圖像引導(dǎo)切除并抑制腫瘤復(fù)發(fā)，在4T1荷瘤小鼠中進(jìn)行~25 μL BFC6TP（350 μM）納米團(tuán)簇的腫瘤內(nèi)注射，以對SLNs進(jìn)行成像。建立具有原位乳腺癌模型的小鼠，并將其隨機分為四組：未治療組（第 1 組，對照組）、SLN 切除組（第 2 組）、腫瘤切除組（第 3 組）和 SLN 和腫瘤均被切除的組（第 4 組）。在高分辨率NIR-II成像下，胸肱淋巴結(jié)的腫瘤鄰近SLN從周圍組織精確可見。NIR-II 成像引導(dǎo)手術(shù)是通過切除 SLN、腫瘤或兩者的組合進(jìn)行的，然后仔細(xì)縫合傷口。在實驗期間每天監(jiān)測四組小鼠的腫瘤體積和體重。37天后，處死小鼠，并評估離體腫瘤轉(zhuǎn)移的抑制作用（圖4a）。手術(shù)切除原發(fā)腫瘤或SLNs可以通過中斷腫瘤轉(zhuǎn)移途徑顯著延長小鼠的存活時間?？傮w而言，原發(fā)腫瘤和SLN切除的第4組對腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的抑制效果好。
圖4. 術(shù)中NIR-II成像引導(dǎo)的腫瘤/腫瘤鄰近SLNs切除可有效抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。a 描述動物實驗的設(shè)計和工作流程的方案
綜上所述，熒光引導(dǎo)手術(shù)（FGS）是一種很有前途的提高實體瘤患者手術(shù)準(zhǔn)確性的技術(shù)。然而，目前FGS技術(shù)的局限性促使研究人員開發(fā)了NIR-II FGS，它受益于低自發(fā)熒光和長成像窗口下的散射。NIR-II FGS 可以在工作燈下進(jìn)行，為此開發(fā)理想的 NIR-II 探針很有希望。屏蔽單元-供體-受體-供體-屏蔽單元（S-D-A-D-S）染料已被開發(fā)為一種高度穩(wěn)定的NIR-II探針，但它們的自組裝導(dǎo)致在主要器官中積累，導(dǎo)致明顯的背景信號和潛在的長期毒性。本研究優(yōu)化了S-D-A-D-S染料的供體結(jié)構(gòu)，形成超小染料納米團(tuán)簇，促進(jìn)腎臟排泄，最小化背景信號?；赟-D-A-D-S染料納米團(tuán)簇的NIR-II FGS，大大實現(xiàn)了高性能的NIR-II成像引導(dǎo)手術(shù)，并改善了淋巴結(jié)清掃術(shù)的結(jié)果，使腫瘤鄰近的前哨淋巴結(jié)具有光學(xué)可辨別性，從而顯著改善了腫瘤手術(shù)的結(jié)果。我們證明，精確切除原發(fā)腫瘤和腫瘤浸潤性 SLN 對于預(yù)防癌癥轉(zhuǎn)移是必要的，尤其是對于深部組織的原發(fā)性癌。切除淋巴系統(tǒng)顯著減少腫瘤轉(zhuǎn)移途徑，從而減少肺部和其他器官的轉(zhuǎn)移性病變。本研究中的方法代表了一種有前途的方法，可以克服 FGS 近紅外 II 探針的局限性。基于ICG的紅外成像程序在數(shù)十萬患者中廣泛進(jìn)行，利用NIR-II窗口的優(yōu)勢可以提高其臨床結(jié)果。然而，已知ICG具有高度不穩(wěn)定性。因此，開發(fā)具有超穩(wěn)定成像能力的D-A-D染料將為該領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)。了解 S-D-A-D-S 染料的固有組裝機制對于促進(jìn)其臨床轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，因為理想的探針應(yīng)在成像后及時從體內(nèi)排出。此外，NIR-II/PET 雙模成像探頭的未來發(fā)展將為癌癥患者帶來顯著的益處。這些探頭不僅可以為放射治療提供增強的成像引導(dǎo)，還可以使用手術(shù)機器人進(jìn)行后續(xù)的成像引導(dǎo)手術(shù)。這種在單個探針中集成多種功能對于提高癌癥治療的精確度和有效性具有巨大的前景。
參考文獻(xiàn)
Wang, Y., Zhou, D., Ma, H. et al. An ultra-small organic dye nanocluster for enhancing NIR-II imaging-guided surgery outcomes. Eur J Nucl Med Mol Imaging (2024).
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近紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS
NIR-II in vivo imaging system
高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機，活體穿透深度高于15mm高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等顯微鏡 - 近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀
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恒光智影
上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評為上海市“科技創(chuàng)新行動計劃"科學(xué)儀器領(lǐng)域立項單位。
恒光智影，致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一體化的成像解決方案。
與基于可見光/近紅外一區(qū)的傳統(tǒng)熒光成像技術(shù)相比，我們的技術(shù)側(cè)重于近紅外二區(qū)范圍并整合CT, X-ray，超聲，光聲成像技術(shù)。
可為腫瘤藥理、神經(jīng)藥理、心血管藥理、大分子藥代動力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，為用戶提供前沿的生物醫(yī)藥與科學(xué)儀器服務(wù)。
