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医学

혈관 및 종양 이미징을 위한 밝은 NIR-II 형광 프로브

Published: March 17, 2023
doi:
10.3791/64875
, ,
1College of Science, Research Center for Ecology, Laboratory of Extreme Environmental Biological Resources and Adaptive Evolution,Tibet University, 2State Key Laboratory of Virology, Key Laboratory of Combinatorial Biosynthesis and Drug Discovery (MOE) and Hubei Province Engineering and Technology Research Center for Fluorinated Pharmaceuticals,Wuhan University School of Pharmaceutical Sciences

Summary

본 프로토콜은 NIR-II 광학 이미징 장치를 사용한 마우스의 상세한 실시간 NIR-II 형광 이미징 동작을 설명합니다.

Abstract

새로운 이미징 기술인 근적외선 II(NIR-II, 1000-1700nm) 형광 이미징은 높은 감도, 심층 조직 침투, 공간 및 시간 해상도를 통한 우수한 이미징으로 인해 생물 의학 분야에서 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 의학 및 약학과 같이 시급히 필요한 일부 분야에서 NIR-II 형광 이미징의 구현을 용이하게 하는 방법은 관련 연구자들을 당황하게 했습니다. 이 프로토콜은 DAD(기증자-수용체-기증자) 골격이 있는 NIR-II 형광 분자 프로브 HLY1의 구성 및 바이오이미징 응용 분야에 대해 자세히 설명합니다. HLY1은 우수한 광학적 특성과 생체적합성을 보였다. 또한, NIR-II 광학 이미징 장치를 사용하여 마우스의 NIR-II 혈관 및 종양 이미징을 수행했습니다. 실시간 고해상도 NIR-II 형광 이미지를 획득하여 종양 및 혈관 질환의 검출을 안내했습니다. 프로브 준비에서 데이터 수집에 이르기까지 이미징 품질이 크게 향상되고 생체 내 이미징에서 데이터 기록을 위한 NIR-II 분자 프로브의 신뢰성이 보장됩니다.

Introduction

형광 이미징은 기초 연구에서 일반적으로 사용되는 분자 이미징 도구이며, 클리닉에서 외과적 종양 절제술을 안내하는 데에도 자주 사용됩니다1. 형광 이미징의 필수 원리는 샘플(조직, 장기 등)을 조사한 후 레이저에서 방출되는 형광을 수신하기 위해 카메라를 사용하는 것입니다. 2. 프로세스는 몇 밀리 초 이내에 완료됩니다3. 형광 이미징 파장은 자외선 (200-400 nm), 가시 영역 (400-700 nm), 근적외선 I (NIR-I, 700-900 nm) 및 근적외선 II (NIR-II, 1000-1700 nm) 4,5,6. 생물학적 조직의 헤모글로빈, 멜라닌, 데 옥시 헤모글로빈 및 빌리루빈과 같은 내인성 분자는 가시 광선 영역의 빛에 강한 흡수 및 산란 효과를 가지므로 빛의 침투 및 감도가 크게 감소하고 가시 광선 파장의 형광 이미징에 악영향을 미칩니다 7,8,9.

NIR-II 형광 이미징은 낮은 광자 흡수 및 산란, 높은 이미징 속도 및 높은 이미지 대비(또는 감도)를 가지고 있습니다10,11. 형광 파장이 증가함에 따라 생물학적 조직에서 형광의 흡수 및 산란은 점차 감소하고 NIR-II 영역의 자동 형광은 매우 낮다12. 따라서, NIR-II 창은 조직의 침투 깊이를 상당히 증가시키고, 더 높은 해상도 및 신호 대 잡음비13,14,15를 얻는다. NIR-II 창은 NIR-IIa(1300-1400nm) 및 NIR-lIb(1500-1700nm) 창으로 더 세분화할 수 있습니다(16). 현재까지 무기 재료 단일벽 탄소 나노튜브, 희토류 나노입자, 양자점 및 유기 재료 반도체 고분자 나노입자, 소분자 염료, 응집 유도 발광 재료 등을 포함하여 여러 획기적인 NIR-II 재료가 보고되었습니다. 1,17,18,19,20,21,22. 무기 나노물질은 간, 비장 등에 쉽게 축적되며 잠재적인 장기 생체 독성을 가지고 있다23. 유기 소분자 형광단은 빠른 신진대사, 낮은 독성, 쉬운 변형 및 명확한 구조의 장점을 가지고 있어 임상용으로 가장 유망한 프로브입니다24.

NIR-II 광학 이미징 시스템은 NIR-II 프로브에서 NIR-II 형광 신호를 효과적으로 수집하여 정확한 기능, 해부학적 및 분자 이미지를 렌더링할 수 있기 때문에 형광 바이오이미징의 중요한 구성 요소이기도 합니다(25,26). NIR-II 이미징 시스템은 주로 단파 적외선 카메라, 장거리 통과(LP) 필터, 레이저 및 컴퓨터 프로세서로 구성됩니다. 생체 내 NIR-II 형광 영상은 질병의 메커니즘과 생명의 본질을 설명하기 위한 가장 실현 가능한 영상 접근법 중 하나로 간주됩니다27,28,29. NIR-II 이미징 기술은 암세포 검출, 동적 이미징, 생체 내 표적 추적 및 표적 치료와 같은 생물 의학 분야, 특히 종양학 연구에서 널리 사용되었습니다30,31. 그러나 이미징 프로브 및 기기에 대한 NIR-II 이미징 기술의 높은 기술적 요구 사항을 고려할 때 다양한 분야의 연구원의 실제 사용을 방해하고 제한합니다. 따라서 NIR-II 이미징 프로브의 준비와 NIR-II 이미징의 응용은 이 기사에서 자세히 소개됩니다.

Protocol

NIR-II 이미징 연구를 위한 동물 실험은 국제 실험 동물 관리 협회(AALAC)를 수상한 우한 대학의 동물 실험 센터에서 수행되었습니다. 모든 동물 연구는 중국 동물 복지 위원회의 실험 동물 관리 및 사용 지침에 따라 수행되었으며 우한 대학교 동물 실험 센터의 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)의 승인을 받았습니다. 6주령의 암컷 BALB/c 누드 마우스(~20g)를 본 연구에 사용했습니다.</…

Representative Results

물에 필요한 HLY1 도트의 형광 강도와 밝기는 NIR-II 이미징 기기에 의해 결정되었습니다. 90% fwTHF/H2O혼합물에서 HLY1의 형광 강도는 THF 용액의 5배였으며, 이는 HLY1의 두드러진 AIE 특징을 나타냅니다(그림 1B). 또한, HLY1 도트는 1,500nm LP 필터에서 강한 형광 신호를 방출하여 HLY1 도트가 NIR-IIb 이미징에 사용될 수 있음을 보여줍니다(그림 1D</stro…

Discussion

NIR-I 형광 이미징은 종양 및 혈관 이미징에 어느 정도 사용될 수 있지만 NIR-I 형광단(<900nm)의 제한된 최대 방출 파장으로 인해 조직 침투 및 종양 신호 배경 비율이33,34가 불량합니다. 열악하고 낮은 이미징 해상도는 이미징 피드백 치료의 결과와 실제 치료 효과 사이에 편차를 유발할 수 있습니다. 또한, 대부분의 NIR-I 형광단은 광학 안정성이 낮고 대사?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작업은 NSFC(82273796, 82111530209), 중앙 정부의 지역 과학 및 기술 개발 지도를 위한 특별 기금(XZ202202YD0021C, XZ202102YD0033C, XZ202001YD0028C), 후베이성 과학 기술 혁신 핵심 프로젝트(2020BAB058), 중앙 대학을 위한 기초 연구 기금, 과학 기술 개발을 위한 티베트 자치구 COVID-19 예방 및 통제 프로그램의 보조금으로 부분적으로 지원되었습니다.

Materials

Anhydrous pyridine Perimed  110-86-1
Anhydrous sodium sulfate China national medicines Co.,Ltd SY006376
Black cardboard Suzhou Yingrui Optical Technology Co., Ltd AO00158
Column chromatography Energy Chemical E080498
Diphenylphosphine palladium dichloride Sigma-Aldrich B2161-1g
DSPE-PEG2000 Ponsure PS-E1
Dulbecco's modified eagle medium  Gibco 8121587
EGTA Biofroxx EZ6789D115
Fetal bovine serum Gibco 2166090RP
Isoflurane GLPBIO GC45487-1
K2CO3 Macklin P816305-5g
N. N '- dimethylformamide China national medicines Co.,Ltd 02-12-1968
NIR-II imaging instrument Suzhou Yingrui Optical Technology Co., Ltd 16011109
N-sulfenanilide Enerry chemical  1250030-5g
PdCl2(dppf)2CH2Cl2 TCI  B2064-1g
penicillin-streptomycin Gibco 15140-122
Tetrahydrofuran China national medicines Co.,Ltd M005197
Tetratriphenylphosphine palladium Immochem 1021232-5g
Tetratriphenylphosphine palladium Sigma-Aldrich 1021232-5g
Tributyltin chloride Immochem QH004335
Trimethylchlorosilane China national medicines Co.,Ltd 40060560
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References

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NIR-II Fluorescence ProbeVascular ImagingTumor ImagingNIR-II WindowHLY1 DyeDSPE-PEG-2KNanoprecipitationAggregation-induced Emission (AIE)In Vivo ImagingOptical NIR-II Imaging System

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Li, Y., Qiao, X., Hong, X. A Bright NIR-II Fluorescence Probe for Vascular and Tumor Imaging. J. Vis. Exp. (193), e64875, doi:10.3791/64875 (2023).
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