活體熒光多重成像分析可以對小動物活體狀態(tài)下的生物過程進行組織、細胞和分子水平的定性和定量研究，是輔助科研人員理解疾病發(fā)生機制、進行藥物研發(fā)和臨床診斷的重要技術。然而在實際應用中，該技術仍面臨著成像深度淺、分辨率差、對比度低和可檢測通道數(shù)量少等諸多挑戰(zhàn)，其中缺乏光譜分離的近紅外熒光探針是制約這一技術進步的重要因素。

實現(xiàn)近紅外光譜分離的關鍵在于構筑窄帶吸收、發(fā)射以及大斯托克斯位移的近紅外熒光團。當前使用的熒光探針普遍光譜較寬，吸收發(fā)射挨的近，因而無法對生物組織進行無串擾的多重標記與成像。稀土鉺離子配合物具有1530 nm左右的特征單色發(fā)光特性，理論上非常適合用來進行活體熒光成像研究。然而要在生理環(huán)境下實現(xiàn)這一發(fā)光卻并不容易。傳統(tǒng)的分子構建策略不僅容易導致鉺離子的發(fā)光被水分子淬滅，而且分子的激發(fā)波長常常在紫外光區(qū)，無法在活體成像中進行應用。

研究人員發(fā)現(xiàn)自然界中的紫細菌能夠利用細菌葉綠素高效地捕捉近紅外光并將光能轉換為化學能。受此啟發(fā)，團隊提出了以細菌葉綠素作為天線配體敏化稀土鉺離子的新穎策略，所構造出的熒光探針不僅能在水相中發(fā)射出明亮的近紅外熒光，而且其吸收和發(fā)射半峰寬小于32 nm，斯托克斯位移值達到了760 nm，為活體熒光多重成像的實現(xiàn)提供了強有力的研究工具。

研究團隊利用快瞬態(tài)吸收技術和低溫磷光光譜對絡合物中能量傳遞機理進行研究，揭示了細菌葉綠素和鉺離子之間快速的能量傳遞速率（2×10⁹?s^-1）和高效的能量傳遞效率（Φ_TEnT> 99.9%) 。并且進一步通過分子工程調控了配體的吸收，驗證了圍繞鉺-細菌葉綠素體系開發(fā)多色可調近紅外熒光探針工具的可行性。

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圖1：（a）鉺-細菌葉綠素配合物的能量傳遞機理圖；（b）鉺-細菌葉綠素配合物的代表性分子EB766的化學結構式；（c）EB766的單晶結構；（d）EB766的吸收和發(fā)射光譜圖；（e）快瞬態(tài)吸收光譜表征EB766的激發(fā)態(tài)動力學過程。

*，研究團隊基于探針優(yōu)異的光學特性和生物相容性進行了生物成像研究。探針較窄的吸收光譜特性使得通過正交激發(fā)控制的多重成像方法可以清晰地勾勒出小鼠血管和淋巴管的精細結構及其空間位置關系，并能實時顯現(xiàn)胃腸道消化系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)的代謝活動。該方法有望為手術導航和臨床診斷提供更*的信息。團隊進一步利用*探針標記了小鼠體內的癌細胞，探針較窄的發(fā)射光譜特性也讓正交發(fā)射控制的多重成像方法得以在小鼠腦部以無創(chuàng)傷的方式清晰地觀察到癌細胞的運動、遷移、以及在血管壁上駐扎等過程。相比于原先的研究方法，這種方法有效地避免了開視窗造成的組織損傷，以及昂貴的成像設施，為活體水平的細胞相互作用研究提供了新的研究平臺。

圖2：（a-c）基于*近紅外熒光探針構建的激發(fā)光譜分離多重成像方案，實現(xiàn)了小鼠血管和淋巴管結構的高分辨率成像；（d-g）基于*近紅外熒光探針構建的發(fā)射光譜分離多重成像方案，實現(xiàn)了癌細胞在小鼠腦部轉移的動態(tài)實時可視化觀察。

參考文獻：

Ting Wang+,?Shangfeng Wang+*, Zhiyong Liu+, Zuyang He, Peng Yu, Mengyao Zhao, Hongxin Zhang, Lingfei Lu, Zhengxin Wang, Ziyu Wang, Weian Zhang*, Yong Fan, Caixia Sun, Dongyuan Zhao, Weimin Liu, Jean-Claude G. Bünzli and Fan Zhang*. A hybrid erbium(III)–bacteriochlorin near-infrared probe for multiplexed biomedical imaging. Nature Materials,?2021,?20, 1571–1578.

| 儀器

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近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST

NIR-II in vivo imaging system

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文中利用近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST完成了體內淋巴管和血管的多重成像以及小鼠腦內癌細胞轉移的活體多重成像實驗。這款小動物活體成像系統(tǒng)性能優(yōu)越，可搭配多款深度制冷的InGaAs近紅外相機，檢測靈敏度高，能夠實現(xiàn)大視野及局部小動物高信噪比和高分辨活體成像。配備全自動操作平臺，可實現(xiàn)電動對焦，多通道小動物麻醉系統(tǒng)，滿足多只小鼠同時成像。成像系統(tǒng)采用模塊化設計，可選配多波長激光器、X射線、可見和近紅外LED等多種激發(fā)光源，實現(xiàn)成像功能升級拓展。?開發(fā)的軟件功能一鍵操作，可實時反映儀器狀態(tài)，自動化控制，操控與圖像處理一體化。該系統(tǒng)可應用于活體小動物熒光手術導航、血管動態(tài)成像、淋巴成像、腫瘤成像、炎癥的檢測與監(jiān)測、藥物追蹤與活體原位疾病檢測等。

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