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Advanced Healthcare Materials:基于聚集诱导发光纳米探针的三光子荧光显微术实现活体鼠脑深层血管成像

作为现代医学的重要辅助手段,光学生物成像因其分辨率高、安全性好(无辐射污染)、成像信息丰富而备受青睐。但由于成像深度的限制,目前光学生物成像主要应用于观察薄层结构(细胞、组织切片等)和活体的浅层情况。如果能进一步实现深层组织(皮下,脑血管等)的光学成像,人们将能获取更加丰富的信息,有助于研究许多生物学机制,诊疗相应疾病等。

光学生物成像深度的受限主要来源于激发光和信号光在生物组织中的散射和吸收损失。目前常用的单光子荧光成像激发光波长一般位于较短的蓝紫光,它们在生物组织中的散射非常大。通过将激发光波长选择在近红外成像窗口内可以有效地减少散射损失,改善激发光在深层组织处的聚焦情况,提升深层组织的成像质量。鉴于目前大多数荧光染料的发射峰都在可见光范围内,多光子吸收成为一种有效的激发方式。相较于单光子荧光中材料分子一次只能吸收1个光子跃迁到激发态,在多光子荧光中材料分子可以同时吸收N个光子跃迁到激发态,其效果可近似认为是用1/N波长的单光子激发(双光子中N=2,三光子中N=3)。另外,在多光子激发中由于荧光信号与激发光强度的高阶依赖关系(双光子中是2阶,三光子中是3阶),只有在离聚焦点非常小的区域内才能有效地激发出荧光信号,故而可以提高成像分辨率,减少深层组织受到的背景荧光干扰。


Advanced Healthcare Materials:基于聚集诱导发光纳米探针的三光子荧光显微术实现活体鼠脑深层血管成像

浙江大学钱骏教授课题组和吉林大学路萍教授课题组合作,用PluronicF-127包覆一种聚集诱导发光(Aggregation-induced emission AIE)染料2,3-bis(4′-(diphenylamino)-[1,1′-biphenyl]-4-yl) fumaronitrile(TPATCN)制备纳米探针。不同于普通的荧光染料在高浓度时会发生聚集诱导猝灭,AIE染料在高浓度时荧光可以增强,故而可以在纳米探针中装载非常高的浓度,以实现大的多光子吸收截面。通过搭建测试光路,发现在1550 nm飞秒光的激发下,TPATCN纳米颗粒有着很强的三光子荧光,波长位于红光与近红外区域,这会比蓝绿等波长较短的荧光更易从深层组织中穿透出来。同时,也对TPATCN纳米颗粒的化学特性进行了表征,发现它有着非常好的化学稳定性和生物兼容性。将TPATCN纳米颗粒通过尾静脉注射入小鼠,经过血液循环后可以到达脑血管进行标记。将小鼠置于搭建的三光子荧光成像系统上进行观察,可以看到脑内丰富的血管信息,成像深度达到875 μm。得益于三光子荧光成像的切片能力,通过对脑内不同深度处的血管进行拍摄和重构,还可以进一步得到脑内脉管系统的三维重构。研究团队选择AIE材料作为荧光探针,将激发光波长选择在穿透深度好的近红外成像窗口内,并且采用三光子激发来实现较深的成像深度,同时保持非常好的成像分辨率,这种方法具有普遍适用性,对进行深层组织成像,研究相关病理学信息非常有意义。

相关论文发表在Advanced Healthcare Materials(DOI: 10.1002/adhm.201700685)上。



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