干货|​近红外二区荧光宽场显微活体成像技术和应用

大家好，今天给大家分享一篇近红外二区荧光宽场显微活体成像技术和应用的文章，本文的通讯作者是浙江大学的钱骏教授。

传统的荧光成像技术是基于可见光波段（400~760 nm）和近红外一区波段（760~900 nm）实现的，但是由于受生物组织散射和自发荧光的影响，这些波段的光对厚样本、活体样本成像时，成像深度和空间分辨率受到了很大的影响。而近红外二区波段（1000~1700 nm， NIR-II）的光受生物组织散射和自发荧光的影响大大降低，因而用这个波段的光成像时，成像的深度和信噪比都显著提高。

近年来，NIR-II荧光宽场显微术在高时间分辨率、高空间分辨率、高信背比和大深度组织穿透方面获得突破性发展，这些得益于荧光探针和成像仪器设备的开发和改进。作者在本文中通过介绍NIR-II荧光宽场显微活体成像的机制特点、演进历史、系统进展以及在不同生物模型上的最新应用，展现其临床试验的巨大潜力，使NIR-II荧光宽场显微成像术在基础研究和临床应用上得到更进一步的普及。

1、NIR-II荧光活体生物成像

近年来，研究者们展开了一系列的NIR-II荧光成像研究，实现了对活体生物样本的深层和功能性成像，尤其伴随着探测器性能的提升和荧光新探针的开发，NIR-II的活体荧光成像迅速成为热点。

尽管NIR-II荧光成像应用日趋广泛，但其成像窗口的定义却并不统一。长期以来，NIR-II在学术界被定义为1000~1700 nm。然而，工业领域认可的典型短波红外波段为900~1700nm。

浙江大学钱骏教授团队模拟了NIR区域（至2340 nm）中的光子传播，确认了活体成像中适度利用水对散射光子的吸收能提高信背比，并将NIR-II窗口扩展为900~1 880 nm，定义了2080~2340 nm为近红外三区。其中，1400~1500 nm和1700~1880nm分别被定义为NIR-IIx和NIR-IIc区域。

图1：定义并扩展NIR-II窗口为900-1880nm

2、NIR-II荧光宽场显微成像系统

活体成像研究中，NIR-II的宏观成像不仅可以实现主动脉和微小血管循环检测，也可以实现各类器官的成像，如心、肝、脾、肺、肾、肝、肠、胆道等。但是，组织的微结构观察和检测需要更大倍率的成像系统，以提高生物组织的空间分辨率和对比度，实现生物微结构的清晰成像。

钱骏教授团队与宁波舜宇仪器（SOPTOP）公司合作，开发出新型NIR-II荧光正置显微成像系统，将短波红外探测器与传统的荧光显微成像系统结合，可实现宽场激发、面阵探测，具备成像深度大、时间分辨高、空间分辨好、操作简便等优势，可实现深层组织的高倍探测，已满足商用要求。此系统先后被相关科研院所购置，已在宫颈癌靶向化疗、小鼠脑血管研究等领域得到应用和报导。

图2：舜宇仪器 NIR II-MS 近红外二区活体显微影像系统

3、NIR-II荧光宽场显微成像的应用

基于NIR-II荧光成像的大深度、高分辨率等优势，诸多生物医学应用得以开发。其中，活体大深度显微成像不仅能够对脉管系统、组织器官清晰破译，而且能够获取生物体内生命活动细微过程的动态信息，具有对生理和行为动态观察的巨大潜力。

NIR-II荧光宽场显微系统提供高时间分辨率和高空间分辨率，可实现脑血管实时解析成像，以及血流速度和心跳周期的测量。

作者团队针对血流测速开展工作，静脉注射IR820（0.5 mg/mL， 200 μL）后，使用NIR-II荧光宽场显微系统监测小鼠脑血管结构和实时血液流动，实时获取150 μm深度处的毛细血管血流速度为725 μm/s。同时，研究人员使用NIR-II荧光宽场显微系统记录开颅小鼠头骨下方0 ~800 μm深度下脑血管图像，并在800 μm的深度下区分出直径仅6.1 μm（半高全宽）的毛细血管。

图3：小鼠活体脑血管成像

血管造影方法可提供血管状态的有用信息，用于监测疾病过程。NIR-II荧光宽场显微成像技术能以高时空分辨率实现深层组织血管可视化。

作者及唐本忠院士课题组开发了一种近红外聚集诱导发射（Aggregation-Induced Emission ，AIE）纳米颗粒，借助NIR-II荧光宽场显微成像系统，对小鼠大脑中的光致血栓形成缺血（Photo-Thrombotic Ischemia， PTI）和血脑屏障（Blood–Brain Barrier，BBB）损伤过程实现了精确监测。

图4：NIR-II荧光宽场显微成像系统用于血流动力学研究和小鼠脑血栓性缺血的实时跟踪

肿瘤和炎症性病变的检测和诊断仍是临床的巨大挑战，而NIR-II荧光宽场显微系统亦可用于肿瘤的精准检测。

唐本忠院士、钱骏教授等将AIE纳米颗粒TQ-BPN注射进入具有旧肿瘤（4周）和新肿瘤（2周）的小鼠体内，使用NIR-II荧光宽场显微系统来识别不同生长阶段的肿瘤。NIR-II荧光宽场显微系统凭借穿透深度大和成像实时的优点，能够清晰地原位显示肿瘤部位的EPR效应，这将有利于早期肿瘤检测和转移研究。

图5：使用NIR-II荧光成像在肿瘤部位原位显示高渗透长滞留（EPR）效应

除普通小鼠、大鼠外，大型灵长类动物（如狨猴）的NIR-II荧光成像技术的探索更有利于临床转化，对于这些动物神经活动和脑血流调节的研究，有利于揭开人类大脑疾病的神秘面纱。

钱骏教授、高利霞教授及唐本忠院士等首次在非人类灵长类动物中进行了穿薄颅骨大深度脑血管显微成像。

图6：高空间分辨率的狨猴穿颅脑血管显微系统

NIR-II荧光宽场显微系统拥有高时间分辨率以监测动态生物过程，提供高空间分辨率以观察微小生物结构、精准定位药物分布，还具备大成像深度。同时，该系统对比其他显微成像系统（如共聚焦显微术、光片显微术）易于上手使用并且成本适中，便于在活体研究和临床实践中推广。

通过相关研究团队的努力，实现了从小鼠、大鼠、狨猴到猕猴，从脑血管、肿瘤血管到炎症组织及离体细胞、组织切片等的NIR-II荧光宽场显微成像，证明了NIR-II荧光宽场显微成像技术的巨大潜力。

综上所述，NIR-II荧光宽场显微成像技术不断在更大的成像深度、更优的信背比、更高的空间分辨率、更快的成像速度上得到创新、改进和突破。NIR-II荧光宽场显微成像系统有望在各种生物和材料研究实验室推广，甚至在医学机构和医院临床获得普及和应用。

以上便是今天为大家分享的近红外二区荧光宽场显微活体成像技术与应用，其中所采用的实验设备均为宁波舜宇仪器的NIR II-MS活体显微影像系统。

作为全球首款近红外二区活体正置显微成像系统，可以实现对近红外二区荧光探针的光学表征以及活体生物样品、厚生物组织等的大深度、高时空分辨成像，选择25X红外水镜时，活体成像深度≥1.4mm，空间分辨率≤2μm。

其操作简便的系统，具备在医学研究、临床诊断和手术治疗领域作为活体成像的基础工具的潜力。

本文为SOPTOP舜宇显微系统供稿。如有技术干货、科研成果、仪器使用心得、生命科学领域热点事件观点，欢迎广大相关行业朋友投稿。投稿邮箱：lizk@instrument.com.cn