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            活體近紅外光學成像系統(tǒng)
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            活體近紅外光學成像系統(tǒng)

            IN VIVO OPTICAL IMAGING

            1.1體內(nèi)熒光成像系統(tǒng)

            基本原理

            1. 熒光探針通過尾靜脈注射或者口服的方式進入小動物體內(nèi);

            2. 激發(fā)光源照射小動物,熒光探針發(fā)出熒光;

            3. 熒光經(jīng)過濾光片和鏡頭進入檢測器,信號給到電腦進行成像。

            1.2體內(nèi)熒光壽命成像系統(tǒng)

            近紅外熒光壽命成像系統(tǒng)

            基本原理

            1. 基于熒光成像系統(tǒng),控制激光器與檢測器的時間同步;

            2. Labview編程,設置采集參數(shù),進行數(shù)據(jù)采集;

            3. 同時,在Labview軟件上進行數(shù)據(jù)處理,得到*終壽命成像結果。

            2. 光學和性能

            檢測器:InAsGa CCD,-55℃,-65℃,-85℃和-190 ℃四款相機可選。配有接口轉接環(huán),方便C口鏡頭隨意切換。

            2.1 高靈敏檢測器 CCD參數(shù)

            * 制冷溫度越低,暗電流越小,靈敏度越高,越適合弱信號的采集

            2.2 電腦自動化調(diào)焦和移動樣品

            相機鏡頭,激發(fā)光源和集成模塊

            1. 成像視野200mm * 200 mm可調(diào)(購買的鏡頭)和20 mm ~ 20 mm可調(diào)(自制的鏡頭);

            2. 高透波段900 nm ~ 1700 nm;

            3. 激光器808 nm,980 nm及1064 nm等波長功率可選;

            4. 濾光片波長及尺寸可選;

            5. 電控調(diào)焦及電控移動樣品,更便于操作;

            6. 多光束集成裝置,滿足多光源激發(fā)和切換。

            下圖:不同熒光波段下,活體腿部血管的成像效果。

            下圖:雙鏡頭切換使用,滿足不同成像視野需求。激發(fā)光源便捷切換,電動調(diào)焦和移動樣品。

            2.3 先進的樣品處理裝置

            麻醉系統(tǒng)和溫度調(diào)節(jié)裝置

            1. 提供氣體麻醉裝置,可持續(xù)長久的麻醉小動物,保持實驗過程中小動物的相對靜止;

            2. 控溫平臺保證小動物(特別是裸鼠等)體溫正常,盡量減小實驗室低溫環(huán)境對實驗數(shù)據(jù)的影響。

            下圖:配有麻醉裝置、控溫平臺

            2.4 多功能一體化數(shù)據(jù)采集和處理軟件

            1. 熒光成像用的是PI的LightFiled軟件 ,可自動或手動獲取圖片;也可以制作成視頻;圖片可疊加強度,也可以取平均強度;可進行TTL調(diào)制;與Labview和Matlab等編程軟件無縫連接;

            2. 熒光壽命成像用的是自主用編寫的Labview工作界面,具有獨立版權。從采集的參數(shù)設置,到焦點調(diào)節(jié),以及*后壽命成像的數(shù)據(jù)處理,閾值調(diào)整等,皆可實現(xiàn)。

            3. 所有結果都可以后期用Matlab處理了。

            下圖:熒光成像使用LightFiled

            下圖:熒光壽命成像使用Labview

            3. 基于熒光成像的研究案例

            應用案例 1近紅外成像指導外科手術

            利用該熒光成像系統(tǒng)和相應的近紅外二區(qū)發(fā)射的熒光探針,實現(xiàn)對小鼠的近紅外成像指導的外科手術。可識別并切除 <1 mm的腫瘤。

            探針材料:NaGdF4:5%Nd@NaGdF4

            激發(fā)光源:808 nm laser

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

            下圖:DCNPs稀土納米顆粒表面修飾DNA和目標多肽,可在腫瘤位置持久停留(長達6h),對其進行光學成像,利于卵巢癌轉移瘤切除的外科手術。

            下圖:對比于近紅外一區(qū)發(fā)射的熒光探針(ICG),1060 nm發(fā)射的稀土納米顆粒,具有更高的光學穩(wěn)定性和更深的模擬組織穿透深度。

            應用案例 2活體腸胃藥物釋放監(jiān)控

            利用該熒光成像系統(tǒng)和巧妙設計的競爭吸收近紅外發(fā)射熒光探針,實現(xiàn)對活體的腸胃藥物釋放過程的實時動態(tài)監(jiān)控,并進行半定量的檢測。

            探針材料:NaGdF4:5%Nd@NaGdF4

            激發(fā)光源:808 nm laser.

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

            下圖:在pH大于等于8時, SSPI分散開來,染料及藥物釋放出來,730 nm激發(fā)載體,再次發(fā)射出1060 nm的熒光。根據(jù)熒光強度的恢復大小定量藥物的釋放量。808 nm激發(fā)用于跟蹤藥物。

            下圖:合成材料的電鏡圖設計微米尺寸載體:稀土納米顆粒靜電吸附于表面,介孔通道中載有連接藥物的NPTAT染料。稀土顆??梢员?30 nm和808 nm激發(fā)產(chǎn)生1060 nm的熒光,染料在730 nm處也有吸收。由于染料具有極大的吸收截面,微米載體在730 nm激發(fā)下,無法產(chǎn)生1060 nm發(fā)射。載體表面有pH響應SSPI用于保護介孔通道中的染料不會釋放出去。

            應用案例 3:活體炎癥成像和檢測

            利用該熒光成像系統(tǒng)和炎癥響應性的近紅外二區(qū)探針,可以實現(xiàn)活體中活性氧物種的高信噪比成像和高精確性的檢測。

            探針材料:NaGdF4:5%Nd@NaGdF4

            激發(fā)光源:808 nm laser.

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

            下圖:DCNPs稀土納米顆粒表面修飾生物內(nèi)源性的物種GSH,GSH遇到活性氧之后,會發(fā)生偶聯(lián)反應,誘發(fā)納米顆粒聚集。達到點亮活性氧富集的部位。

            下圖:透射電鏡表征單分散納米顆粒在體外遇到活性氧,發(fā)生強烈的偶聯(lián)反應,形成二硫鍵,導致顆粒聚集。

            應用案例 4:活體深組織成像監(jiān)控心率

            近紅外二區(qū)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組織穿透深度,可以對活體心率進行準確的監(jiān)控和測試。

            探針材料:FD-1080

            激發(fā)光源:1064 nm laser.

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

            下圖:**設計合成近紅外二區(qū)激發(fā)和發(fā)射的小分子探針,相對于ICG,該探針具有更高的穩(wěn)定性

            下圖:由于長波長熒光具有低的散射,從體外成像深度和分辨率的結果看,波長越長,成像的穿透深度和分辨率越高。

            應用案例 5:評估臨床藥物的療效

            臨床前藥物的藥理評估對藥物的推廣和療效評價非常重要。利用近紅外活體熒光成像系統(tǒng)實現(xiàn)對降血壓藥物的動力學藥理評估和監(jiān)控。

            探針材料:FD-1080 and DMPC

            激發(fā)光源:1064 nm laser.

            參考文獻: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.

            下圖:FD-1080與DMPC混合重組裝,形成J聚集體,染料的吸收和發(fā)射主峰都紅移到1300 nm之后。實現(xiàn)有機染料的長波長激發(fā)和發(fā)射。

            下圖:波長越長,光子的散射越小,通過體外實驗,對比不同成像窗口,發(fā)現(xiàn)1500nm之后成像的分辨率**。

            應用案例 6:活體胃酸檢測

            設計高亮的抗淬滅長波長發(fā)射有機探針,利用其pH相應的特性,通過比例熒光實現(xiàn)對胃酸的高精確檢測。

            探針材料:BTC系列探針

            激發(fā)光源:1064 nm laser.

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

            下圖:以腈染料為基礎進行改造,可以得到具有很強抗溶劑淬滅的系列BTC染料。該染料的激發(fā)/發(fā)射波長主峰可以達到近紅外二區(qū)。同時,由于其抗淬滅性質,使其具有很強的熒光強度,光穩(wěn)定性也遠優(yōu)于ICG。

            下圖:對比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。

            應用案例7:監(jiān)控藥物的肝毒性

            設計長波長且可調(diào)的系列近紅外探針,利用比例熒光對藥物誘導的肝毒性進行定量實時的檢測。

            探針材料:BTC系列探針

            激發(fā)光源:1064 nm laser.

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

            應用案例8:腫瘤檢測

            稀土離子的熒光壽命非常穩(wěn)定,幾乎不受外界環(huán)境的干擾,也不隨活體組織的穿透深度而變化,因此利用熒光壽命成像系統(tǒng)對生物標志物進行檢測,具有極高的穩(wěn)定性和準確性。

            探針材料:NaGdF4@NaGdF4:Yb,Er@ NaGdF4 :Yb@ NaGdF4 :Nd

            激發(fā)光源:808 nm laser.

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

            應用案例9:活體信息存儲和解析

            將不同熒光壽命的材料編輯成二維碼,空間上重疊植入到活體皮下。熒光成像無法解析出二維碼信息,熒光壽命成像可以將兩種不同熒光壽命的二維碼解析出來,得到活體信息存儲和解碼的過程。更多的熒光壽命,實現(xiàn)更大的信息存儲。

            探針材料:NaYF4:Tm,Er@NaYF4

            激發(fā)光源:1208 nmlaser.

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

            參考文獻

            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(xiàn).,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.

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