活体近红外光学成像系统

IN VIVO OPTICAL IMAGING

1.1体内荧光成像系统

基本原理

1. 荧光探针通过尾静脉注射或者口服的方式进入小动物体内；

2. 激发光源照射小动物，荧光探针发出荧光；

3. 荧光经过滤光片和镜头进入检测器，信号给到电脑进行成像。

1.2体内荧光寿命成像系统

近红外荧光寿命成像系统

基本原理

1. 基于荧光成像系统，控制激光器与检测器的时间同步；

2. Labview编程，设置采集参数，进行数据采集；

3. 同时，在Labview软件上进行数据处理，得到*终寿命成像结果。

2. 光学和性能

检测器：InAsGa CCD，-55℃，-65℃，-85℃和-190 ℃四款相机可选。配有接口转接环，方便C口镜头随意切换。

2.1 高灵敏检测器 CCD参数

* 制冷温度越低，暗电流越小，灵敏度越高，越适合弱信号的采集

2.2 电脑自动化调焦和移动样品

相机镜头，激发光源和集成模块

1. 成像视野200mm * 200 mm可调（购买的镜头）和20 mm ~ 20 mm可调（自制的镜头）；

2. 高透波段900 nm ~ 1700 nm;

3. 激光器808 nm，980 nm及1064 nm等波长功率可选；

4. 滤光片波长及尺寸可选;

5. 电控调焦及电控移动样品，更便于操作；

6. 多光束集成装置，满足多光源激发和切换。

下图：不同荧光波段下，活体腿部血管的成像效果。

下图：双镜头切换使用，满足不同成像视野需求。激发光源便捷切换，电动调焦和移动样品。

2.3 先进的样品处理装置

麻醉系统和温度调节装置

1. 提供气体麻醉装置，可持续长久的麻醉小动物，保持实验过程中小动物的相对静止；

2. 控温平台保证小动物（特别是裸鼠等）体温正常，尽量减小实验室低温环境对实验数据的影响。

下图：配有麻醉装置、控温平台

2.4 多功能一体化数据采集和处理软件

1. 荧光成像用的是PI的LightFiled软件 ，可自动或手动获取图片；也可以制作成视频；图片可叠加强度，也可以取平均强度；可进行TTL调制；与Labview和Matlab等编程软件无缝连接；

2. 荧光寿命成像用的是自主用编写的Labview工作界面，具有独立版权。从采集的参数设置，到焦点调节，以及*后寿命成像的数据处理，阈值调整等，皆可实现。

3. 所有结果都可以后期用Matlab处理了。

下图：荧光成像使用LightFiled

下图：荧光寿命成像使用Labview

3. 基于荧光成像的研究案例

★应用案例 1近红外成像指导外科手术

利用该荧光成像系统和相应的近红外二区发射的荧光探针，实现对小鼠的近红外成像指导的外科手术。可识别并切除 <1 mm的肿瘤。

探针材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激发光源：808 nm laser

参考文献：Wang， P.; Fan， Y.; Lu， L.; Liu， L.;Fan， L.; Zhao， M.; Xie， Y.; Xu， C.; Zhang， F.，Nat. Commun.2018，9(1)， 2898.

下图：DCNPs稀土纳米颗粒表面修饰DNA和目标多肽，可在肿瘤位置持久停留（长达6h），对其进行光学成像，利于卵巢癌转移瘤切除的外科手术。

下图：对比于近红外一区发射的荧光探针（ICG），1060 nm发射的稀土纳米颗粒，具有更高的光学稳定性和更深的模拟组织穿透深度。

★应用案例 2活体肠胃药物释放监控

利用该荧光成像系统和巧妙设计的竞争吸收近红外发射荧光探针，实现对活体的肠胃药物释放过程的实时动态监控，并进行半定量的检测。

探针材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激发光源：808 nm laser.

参考文献： Wang， R.; Zhou， L.; Wang， W.; Li， X.;Zhang， F.，Nat. Commun.2017，8(1)， 1038.

下图：在pH大于等于8时， SSPI分散开来，染料及药物释放出来，730 nm激发载体，再次发射出1060 nm的荧光。根据荧光强度的恢复大小定量药物的释放量。808 nm激发用于跟踪药物。

下图：合成材料的电镜图设计微米尺寸载体：稀土纳米颗粒静电吸附于表面，介孔通道中载有连接药物的NPTAT染料。稀土颗粒可以被730 nm和808 nm激发产生1060 nm的荧光，染料在730 nm处也有吸收。由于染料具有极大的吸收截面，微米载体在730 nm激发下，无法产生1060 nm发射。载体表面有pH响应SSPI用于保护介孔通道中的染料不会释放出去。

★应用案例 3：活体炎症成像和检测

利用该荧光成像系统和炎症响应性的近红外二区探针，可以实现活体中活性氧物种的高信噪比成像和高精确性的检测。

探针材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激发光源：808 nm laser.

参考文献：Zhao， M.; Wang， R.; Li， B.; Fan， Y.;Wu， Y.; Zhu， X.; Zhang， F.，Angew. Chem. Int. Ed.2018， 58， 2050-5054.

下图：DCNPs稀土纳米颗粒表面修饰生物内源性的物种GSH，GSH遇到活性氧之后，会发生偶联反应，诱发纳米颗粒聚集。达到点亮活性氧富集的部位。

下图：透射电镜表征单分散纳米颗粒在体外遇到活性氧，发生强烈的偶联反应，形成二硫键，导致颗粒聚集。

★应用案例 4：活体深组织成像监控心率

近红外二区成像得到更高分辨率的血管成像；更高的成像分辨率和更深组织穿透深度，可以对活体心率进行准确的监控和测试。

探针材料：FD-1080

激发光源：1064 nm laser.

参考文献：Li， B.; Lu， L.; Zhao， M.; Lei， Z.;Zhang， F.， Angew. Chem. Int. Ed. 2018， 57 (25)， 7483-7487.

下图：**设计合成近红外二区激发和发射的小分子探针，相对于ICG，该探针具有更高的稳定性

下图：由于长波长荧光具有低的散射，从体外成像深度和分辨率的结果看，波长越长，成像的穿透深度和分辨率越高。

★应用案例 5：评估临床药物的疗效

临床前药物的药理评估对药物的推广和疗效评价非常重要。利用近红外活体荧光成像系统实现对降血压药物的动力学药理评估和监控。

探针材料：FD-1080 and DMPC

激发光源：1064 nm laser.

参考文献：Sun， C.; Li， B.; Zhao， M.; Wang， S.;Lei， Z.; Lu， L.; Zhang， H.; Feng， L.; Dou， C.; Yin， D.; Xu， H.; Cheng， Y.;Zhang， F.， J. Am. Chem. Soc. 2019， 141 (49)， 19221-19225.

下图：FD-1080与DMPC混合重组装，形成J聚集体，染料的吸收和发射主峰都红移到1300 nm之后。实现有机染料的长波长激发和发射。

下图：波长越长，光子的散射越小，通过体外实验，对比不同成像窗口，发现1500nm之后成像的分辨率**。

★应用案例 6：活体胃酸检测

设计高亮的抗淬灭长波长发射有机探针，利用其pH相应的特性，通过比例荧光实现对胃酸的高精确检测。

探针材料：BTC系列探针

激发光源：1064 nm laser.

参考文献： Wang， S.; Fan， Y.; Li， D.; Sun， C.;Lei， Z.; Lu， L.; Wang， T.; Zhang， F.， Nat. Commun. 2019， 10 (1)， 1058.

下图：以腈染料为基础进行改造，可以得到具有很强抗溶剂淬灭的系列BTC染料。该染料的激发/发射波长主峰可以达到近红外二区。同时，由于其抗淬灭性质，使其具有很强的荧光强度，光稳定性也远优于ICG。

下图：对比ICG的成像效果，BTC1070具有高分辨和高信噪比的腿部血管和淋巴成像。

★应用案例7：监控药物的肝毒性

设计长波长且可调的系列近红外探针，利用比例荧光对药物诱导的肝毒性进行定量实时的检测。

探针材料：BTC系列探针

激发光源：1064 nm laser.

参考文献： Lei， Z.; Sun， C.; Pei， P.; Wang， S.;Li， D.; Zhang， X.; Zhang， F.，. Angew. Chem. Int. Ed. 2019， 58 (24)， 8166-8171.

★应用案例8：肿瘤检测

稀土离子的荧光寿命非常稳定，几乎不受外界环境的干扰，也不随活体组织的穿透深度而变化，因此利用荧光寿命成像系统对生物标志物进行检测，具有极高的稳定性和准确性。

探针材料：NaGdF4@NaGdF4:Yb，Er@ NaGdF4 :Yb@ NaGdF4 :Nd

激发光源：808 nm laser.

参考文献：Fan， Y.;Wang， P.; Lu， Y.; Wang， R.; Zhou， L.; Zheng， X.; Li， X.; Piper， J. A.; Zhang，F.， Nat. Nanotechnol. 2018， 13 (10)， 941-946.

★应用案例9：活体信息存储和解析

将不同荧光寿命的材料编辑成二维码，空间上重叠植入到活体皮下。荧光成像无法解析出二维码信息，荧光寿命成像可以将两种不同荧光寿命的二维码解析出来，得到活体信息存储和解码的过程。更多的荧光寿命，实现更大的信息存储。

探针材料：NaYF4:Tm，Er@NaYF4

激发光源：1208 nmlaser.

参考文献： Zhang， H.X.; Fan， Y.; Pei， P.; Sun， C. X.; Lu， L. F.; Zhang， F.， Angew. Chem. Int. Ed.2019， 58 (30)， 10153-10157.

参考文献

1. Wang， P.;Fan， Y.; Lu， L.; Liu， L.; Fan， L.; Zhao， M.; Xie， Y.; Xu， C.; Zhang， F.，Nat.Commun.2018，9(1)， 2898.

2. Zhao， M.;Wang， R.; Li， B.; Fan， Y.; Wu， Y.; Zhu， X.; Zhang， F.，Angew. Chem. Int. Ed.2018， 58， 2050-5054.

3. Li， B.; Lu，L.; Zhao， M.; Lei， Z.; Zhang， F.，Angew. Chem. Int. Ed.2018，57(25)， 7483-7487.

4. Sun， C.; Li，B.; Zhao， M.; Wang， S.; Lei， Z.; Lu， L.; Zhang， H.; Feng， L.; Dou， C.; Yin， D.;Xu， H.; Cheng， Y.; Zhang， F.，J. Am. Chem. Soc.2019，141(49)， 19221-19225.

5. Fan， Y.;Wang， P.; Lu， Y.; Wang， R.; Zhou， L.; Zheng， X.; Li， X.; Piper， J. A.; Zhang，F.，Nat. Nanotechnol.2018，13(10)， 941-946.

6. Zhang， H. X.;Fan， Y.; Pei， P.; Sun， C. X.; Lu， L. F.; Zhang， F.，Angew. Chem. Int. Ed.2019，58(30)， 10153-10157.

7. Antaris， A.L.; Chen， H.; Cheng， K.; Sun， Y.; Hong， G.; Qu， C.; Diao， S.; Deng， Z.; Hu， X.;Zhang， B.; Zhang， X.; Yaghi， O. K.; Alamparambil， Z. R.; Hong， X.; Cheng， Z.;Dai， H.，Nat. Mater.2016，15(2)， 235-42.

8. Hong， G.;Antaris， A. L.; Dai， H.，Nat. Biomed. Eng.2017，1(1)，0010.

9. Wang， R.; Li，X.; Zhou， L.; Zhang， F.，Angew. Chem. Int. Ed.2014，53(45)， 12086-90.

10. Liu， L.; Wang，S.; Zhao， B.; Pei， P.; Fan， Y.; Li， X.; Zhang， F.，Angew. Chem. Int. Ed.2018，57(25)， 7518-7522.

11. Wang， S.;Fan， Y.; Li， D.; Sun， C.; Lei， Z.; Lu， L.; Wang， T.; Zhang， F.，Nat. Commun.2019，10(1)， 1058.

12. Wang， R.;Zhou， L.; Wang， W.; Li， X.; Zhang， F.，Nat. Commun.2017，8(1)， 1038.