Near-infrared II fluorescence imaging
近红外二区荧光成像
论文信息：nature reviews methods primers IF：50.1
主讲人：王泳海，2025年3月16日
研究背景：
第二近红外（NIR-II）窗口的荧光成像，利用该光谱区域内的减少光散射和组织自荧光，可以实现高分辨率的深层组织成像和提高对比度。NIR-II荧光成像使用光致发光造影剂——包括碳纳米管、量子点、掺杂稀土的纳米晶体、金纳米团簇、小分子及其聚集体——以及荧光蛋白，它们都在1000-3000纳米范围内显示荧光。在体内使用这些荧光团后，可以用专门的探测器和光学仪器对活体动物进行成像，产生的对比度和分辨率是传统的可见光和近红外荧光成像所没有的。这种强大的方法使血管结构和血流动力学的动态成像成为可能；肿瘤的分子成像和图像引导手术；以及深层结构的可视化，如胃肠道系统。NIR-II荧光成像在过去的15年里已经彻底改变了生物医学成像，并有望在心脏病学、神经生物学和胃肠病学方面取得类似的进展。本引物描述了NIR-II荧光成像的原理，回顾了最常用的荧光团，概述了实施方法，并讨论了具体的科学和临床应用。此外，还解决了NIR-II荧光成像的局限性，并探索了未来在各个科学领域的机遇
研究意义与目的：
本文的重点是在动物模型中的临床前NIR-II荧光成像，以及用于人类成像的新兴小分子NIR-II荧光剂的临床可转译性。对小分子NIR-II荧光团的重视在于它们能够在深层组织中提供高分辨率成像，同时增强分子靶向精度和特异性，同时确保快速清除。在NIR-II荧光成像的实验和解释的最新方法，在其广泛应用的背景下进行了探索。此外，还强调了再现性和数据沉积方面的最佳实践，促进了不同实验室和实验之间的一致性和可比性，其目标是制定被广泛接受的标准。通过深入研究这些具体的方面，Primer旨在提供一个全面的理解，在翻译NIR-II荧光成像从工作台到床边的机遇和挑战。
研究内容：
在标准的NIR-II荧光成像实验中，使用激发光源刺激活个体生物组织内的NIR-II造影剂或标记。这些药剂或标签随后在NIR-II光谱中发射光子，这些光子被探测器捕获。NIR-II荧光团不同的光谱和寿命特性使光谱和时间域的多路成像成为可能。NIR-II荧光团可以填充中空结构——例如，血管、淋巴管、输尿管和肠道——以提供结构对比或粘附于特定的组织和分子上进行靶向标记。在实验之前，有必要评估NIR-II荧光团的发光、生化和药理特性。此外，在实施NIR-II荧光成像时，诸如激光安全性和对动物和人类参与者的伦理处理等因素是至关重要的
应用方面：
NIR-II荧光成像正在成为各种生物医学研究领域的一个重要工具。它在心脑血管疾病的研究中发挥了重要作用，如外周血缺血、中风和创伤性脑损伤。该技术也被应用于淋巴管和淋巴结成像研究淋巴系统。此外，体内NIR-II荧光成像在早期癌症检测和诊断、图像引导的肿瘤手术和肿瘤免疫治疗方面已经显示出了潜力。应用NIR-II荧光成像需要优化NIR-II荧光团，改进成像系统和定制递送方法，同时对临床前模型进行彻底的评估，以实现潜在的临床转化。此外，NIR-II荧光成像的应用正在扩展到新的领域，如神经活动成像、基因编码的NIR-II报告基因和创新的仪器方法，如光片和结构照明显微镜。
总结与展望：
预计NIR-II荧光成像方面的一些挑战将在未来几年得到解决。目前，大多数NIR-II成像侧重于靶向和成像细胞外结构、受体和事件，而不是细胞内的分子和过程。虽然细胞内NIR-II荧光成像已经有了一些发展18，但提高细胞内的敏感性将为回答新的生物学问题提供机会。潜在的进展包括用于监测动态钙浓度的NIR-II传感器，膜电位的变化和蛋白激酶的活性。此外，仪器仪表的限制也是一个需要解决的关键挑战。开发灵敏度超过1700nm灵敏度的2D InGaAs阵列对于生物医学研究中的NIR-II荧光成像至关重要，特别是在以合理的价格和低热噪声水随着NIR-II荧光成像领域的不断发展，新的方法和问题的出现。
这些潜在的发展方向包括在NIR-IIc和NIR-IId子区域的成像方法，并进一步减少了散射。虽然有意定义了不同的NIR-II子区域以避免吸水，但水对光子的适度吸收可以通过增强散射介质中吸收诱导的图像分辨率来提高分辨率。基于这一策略，理论预测，波长可达2340纳米的波长可以通过散射组织提供最好的图像质量。在这些极长波长下的NIR-II成像需要高性能探测器，如超导纳米线单光子探测器和合理设计的纳米探针，以获得更深的穿透和更高的分辨率。
另一个新兴的方向是使用机器学习和人工智能来增强NIR-II成像。深度学习技术可以用来从图像中提取隐藏的信息，提供了在原始的NIR-II图像中可能不明显的见解。据预测，大型语言模型将与计算机视觉相结合，通过揭示对操作者不明显的信息来增强临床NIR-II成像。此外，深度学习-自适应光学可用于波前校正，提高分辨率和校正NIR-II荧光成像过程中的像差。将其他成像方法与NIR-II荧光成像相结合是另一个探索领域。将超分辨率显微镜与NIR-II成像相结合，使体内亚衍射成像，补偿不利的长波长依赖分辨率。
在未来5-10年，应推进NIR-II荧光成像并增加其影响。一个关键的优先事项是开发紧凑的、成本低廉、潜在的便携式NIR-II成像仪，以使研究人员和临床医生能够更广泛地采用。此外，具有成本效益的成像将使护理点NIR-II成像仪能够分发给资源不足的人群。另一个重要的重点是创建更具体的NIR-II探针，用于成像高分辨率和深度穿透的分子和功能信息。这将扩大可以研究的生物过程的范围。例如，对各种生物标志物有反应的可激活的NIR-II探针可能使对神经退行性疾病的敏感检测成为可能。最后，将使用广域NIR-II照明的神经活动的深部脑NIR-II成像与神经调制相结合，为全光、双向非侵入性脑机接口提供了机会平的情况下。
