JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
의학

Een heldere NIR-II fluorescentiesonde voor vasculaire en tumorbeeldvorming

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

Het huidige protocol beschrijft een gedetailleerde, real-time NIR-II fluorescentie beeldvormingsoperatie van een muis met behulp van een NIR-II optisch beeldvormingsapparaat.

Abstract

Als een opkomende beeldvormingstechnologie heeft nabij-infrarood II (NIR-II, 1000-1700 nm) fluorescentiebeeldvorming een aanzienlijk potentieel op biomedisch gebied, vanwege de hoge gevoeligheid, diepe weefselpenetratie en superieure beeldvorming met ruimtelijke en temporele resolutie. De methode om de implementatie van NIR-II fluorescentiebeeldvorming voor sommige dringend noodzakelijke gebieden, zoals medische wetenschap en farmacie, te vergemakkelijken, heeft relevante onderzoekers echter verbaasd. Dit protocol beschrijft in detail de constructie en bioimaging toepassingen van een NIR-II fluorescentie moleculaire sonde, HLY1, met een D-A-D (donor-acceptor-donor) skelet. HLY1 vertoonde goede optische eigenschappen en biocompatibiliteit. Bovendien werd NIR-II vasculaire en tumorbeeldvorming bij muizen uitgevoerd met behulp van een NIR-II optisch beeldvormingsapparaat. Real-time hoge resolutie NIR-II fluorescentiebeelden werden verkregen om de detectie van tumoren en vaatziekten te begeleiden. Van sondevoorbereiding tot data-acquisitie, de beeldkwaliteit is sterk verbeterd en de authenticiteit van de NIR-II moleculaire sondes voor gegevensregistratie in intravitale beeldvorming is gewaarborgd.

Introduction

Fluorescentiebeeldvorming is het veelgebruikte moleculaire beeldvormingsinstrument in fundamenteel onderzoek en wordt ook vaak gebruikt om chirurgische tumorresectie in kliniekente begeleiden 1. Het essentiële principe van fluorescentiebeeldvorming is om een camera te gebruiken om fluorescentie te ontvangen die door een laser wordt uitgezonden na de bestraling van monsters (weefsels, organen, enz.) 2. Het proces is binnen enkele milliseconden voltooid3. De fluorescentiebeeldgolflengten kunnen worden onderverdeeld in ultraviolet (200-400 nm), zichtbaar gebied (400-700 nm), nabij-infrarood I (NIR-I, 700-900 nm) en nabij-infrarood II (NIR-II, 1000-1700 nm)4,5,6. Omdat de endogene moleculen zoals hemoglobine, melanine, deoxyhemoglobine en bilirubine in biologische weefsels een sterke absorptie en een verstrooiend effect op het licht in zichtbare gebieden hebben, worden de penetratie en gevoeligheid van licht sterk verminderd en wordt de fluorescentiebeeldvorming in zichtbare lichtgolflengten nadelig beïnvloed 7,8,9.

NIR-II fluorescentiebeeldvorming heeft een lage fotonenabsorptie en -verstrooiing, een hoge beeldsnelheid en een hoog beeldcontrast (of gevoeligheid)10,11. Naarmate de fluorescentiegolflengte toeneemt, neemt de absorptie en verstrooiing van fluorescentie in biologische weefsels geleidelijk af en is de autofluorescentie in het NIR-II-gebied extreem laag12. Zo verhoogt het NIR-II-venster de penetratiediepte van weefsels aanzienlijk en verkrijgt het een hogere resolutie en signaal-ruisverhouding13,14,15. Het NIR-II venster kan verder worden onderverdeeld in de NIR-IIa (1300-1400 nm) en NIR-lIb (1500-1700 nm) windows16. Tot op heden zijn verschillende mijlpaal NIR-II-materialen gemeld, waaronder anorganisch materiaal enkelwandige koolstofnanobuizen, zeldzame aardnanodeeltjes, quantum dots en organische materiaal halfgeleiderpolymeer nanodeeltjes, kleinmolecuulkleurstoffen, aggregatie-geïnduceerde luminescerende materialen, enz. 1,17,18,19,20,21,22. Anorganische nanomaterialen worden gemakkelijk opgehoopt in de lever, milt, enz., en hebben potentiële biotoxiciteit op lange termijn23. Organische fluorofoor met kleine moleculen heeft de voordelen van een snel metabolisme, lage toxiciteit, eenvoudige modificatie en een duidelijke structuur, wat de meest veelbelovende sonde is voor klinisch gebruik24.

Het NIR-II optische beeldvormingssysteem is ook een cruciaal onderdeel van fluorescentiebioimaging omdat het effectief NIR-II-fluorescentiesignalen van de NIR-II-sonde kan verzamelen, waardoor nauwkeurige functionele, anatomische en moleculaire beelden25,26 worden weergegeven. Het NIR-II beeldvormingssysteem bestaat voornamelijk uit kortegolf infraroodcamera’s, long-pass (LP) filters, lasers en computerprocessors. In vivo NIR-II fluorescerende beeldvorming wordt beschouwd als een van de meest haalbare beeldvormingsbenaderingen voor het ophelderen van de mechanismen van ziekten en de aard van het leven27,28,29. NIR-II beeldvormingstechnologie is op grote schaal gebruikt in biomedische gebieden zoals kankerceldetectie, dynamische beeldvorming, in vivo gerichte tracering en gerichte therapie, vooral in oncologisch onderzoek30,31. Gezien de hoge technische vereisten van NIR-II-beeldvormingstechnologie op beeldvormingsondes en -instrumenten, puzzelt en beperkt het echter ook het praktische gebruik van onderzoekers op verschillende gebieden. Daarom worden de voorbereiding van NIR-II imaging probes en de toepassingen van NIR-II imaging in detail geïntroduceerd in dit artikel.

Protocol

Dierproeven voor NIR-II beeldvormingsstudies werden uitgevoerd in het Animal Experiment Center van de Universiteit van Wuhan, dat is bekroond met de International Association for Experimental Animal Care (AALAC). Alle dierstudies werden uitgevoerd volgens de richtlijnen van de China Animal Welfare Commission voor de verzorging en het gebruik van proefdieren en goedgekeurd door het Animal Care and Use Committee (IACUC) van het Animal Experimental Center van de Universiteit van Wuhan. Vrouwelijk…

Representative Results

De fluorescerende intensiteit en helderheid van wateropschortende HLY1-stippen werden bepaald door een NIR-II-beeldvormingsinstrument. De fluorescerende intensiteit van HLY1 in het 90% fwTHF/H2O-mengsel was vijf keer zo hoog als in de THF-oplossing, wat wees op een prominent AIE-kenmerk van HLY1 (figuur 1B). Bovendien zonden HLY1-stippen sterke fluorescerende signalen uit onder een LP-filter van 1.500 nm, wat aantoont dat HLY1-stippen kunnen worden gebruikt voo…

Discussion

NIR-I fluorescerende beeldvorming kan tot op zekere hoogte worden gebruikt voor tumor- en vasculaire beeldvorming, maar vanwege de beperkte maximale emissiegolflengte van NIR-I-fluoroforen (<900 nm), resulteert dit in slechte weefselpenetratie en tumorsignaalachtergrondverhouding33,34. Een slechte en lage beeldvormingsresolutie kan een afwijking veroorzaken tussen de uitkomst van de beeldvormingsfeedbackbehandeling en het werkelijke therapeutische effect. Bovendi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door subsidies van NSFC (82273796, 82111530209), Special Funds for Guiding Local Science and Technology Development of Central Government (XZ202202YD0021C, XZ202102YD0033C, XZ202001YD0028C), Hubei Province Scientific and Technical Innovation Key Project (2020BAB058), de Fundamental Research Funds for the Central Universities en de Tibet Autonomous Region COVID-19 Prevention and Control Programs for Science and Technology Development.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Liu, Y., et al. Versatile types of inorganic/organic NIR-IIa/IIb fluorophores: from strategic design toward molecular imaging and theranostics. Chemical Reviews. 122 (1), 209-268 (2022).
  2. Zhou, H., et al. Mn-loaded apolactoferrin dots for in vivo MRI and NIR-II cancer imaging. Journal of Materials Chemistry C. 7 (31), 9448-9454 (2019).
  3. Zhang, F., Tang, B. Z. Near-infrared luminescent probes for bioimaging and biosensing. Chemical Science. 12 (10), 3377-3378 (2021).
  4. Yao, C., et al. A bright, renal-clearable NIR-II brush macromolecular probe with long blood circulation time for kidney disease bioimaging. Angewandte Chemie International Edition. 61 (5), 202114273 (2022).
  5. Gao, S., et al. Molecular engineering of near-infrared-II photosensitizers with steric-hindrance effect for image-guided cancer photodynamic therapy. Advanced Functional Materials. 31 (14), 2008356 (2021).
  6. Ding, F., Fan, Y., Sun, Y., Zhang, F. Beyond 1000 nm emission wavelength: recent advances in organic and inorganic emitters for deep-tissue molecular imaging. Advanced Healthcare Materials. 8 (14), 1900260 (2019).
  7. Yang, Y., Zhang, F. Molecular fluorophores for in vivo bioimaging in the second near-infrared window. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 49 (9), 3226-3246 (2022).
  8. Ding, B., et al. Polymethine thiopyrylium fluorophores with absorption beyond 1000 nm for biological imaging in the second near-infrared subwindow. Journal of Medicinal Chemistry. 62 (4), 2049-2059 (2019).
  9. Cheng, X., et al. Novel diketopyrrolopyrrole Nir-Ii fluorophores and Ddr inhibitors for in vivo chemo-photodynamic therapy of osteosarcoma. Chemical Engineering Journal. , 136929 (2022).
  10. Yang, Y., et al. Nir-Ii chemiluminescence molecular sensor for in vivo high-contrast inflammation imaging. Angewandte Chemie International Edition. 59 (42), 18380-18385 (2020).
  11. Liu, Y., et al. A second near-infrared Ru(Ii) polypyridyl complex for synergistic chemo-photothermal therapy. Journal of Medicinal Chemistry. 65 (3), 2225-2237 (2022).
  12. Xu, Y., et al. Long wavelength-emissive Ru(Ii) metallacycle-based photosensitizer assisting in vivo bacterial diagnosis and antibacterial treatment. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (32), 2209904119 (2022).
  13. Xu, Y., et al. Construction of emissive Ruthenium(II) metallacycle over 1000 nm wavelength for in vivo biomedical applications. Nature Communications. 13 (1), 2009 (2022).
  14. Wang, S., Li, B., Zhang, F. Molecular fluorophores for deep-tissue bioimaging. ACS Central Science. 6 (8), 1302-1316 (2020).
  15. Sun, Y., Sun, P., Li, Z., Qu, L., Guo, W. Natural flavylium-inspired far-red to NIR-II dyes and their applications as fluorescent probes for biomedical sensing. Chemical Society Reviews. 51 (16), 7170-7205 (2022).
  16. Shen, H., et al. Rational design of NIR-II AIEgens with ultrahigh quantum yields for photo- and chemiluminescence imaging. Journal of the American Chemical Society. 144 (33), 15391-15402 (2022).
  17. Mu, J., et al. The chemistry of organic contrast agents in the NIR-II window. Angewandte Chemie International Edition. 61 (14), 202114722 (2022).
  18. Lu, S., et al. NIR-II fluorescence/photoacoustic imaging of ovarian cancer and peritoneal metastasis. Nano Research. 15 (10), 9183-9191 (2022).
  19. Liu, Y., et al. Novel Cd-Mof NIR-II fluorophores for gastric ulcer imaging. Chinese Chemical Letters. 32 (10), 3061-3065 (2021).
  20. Lin, J., et al. Novel near-infrared II aggregation-induced emission dots for in vivo bioimaging. Chemical Science. 10 (4), 1219-1226 (2018).
  21. Li, Y., et al. Small-molecule fluorophores for near-infrared IIb imaging and image-guided therapy of vascular diseases. CCS Chemistry. 4 (12), 3735-3750 (2022).
  22. Li, Y., et al. Novel NIR-II organic fluorophores for bioimaging beyond 1550 nm. Chemical Science. 11 (10), 2621-2626 (2020).
  23. Li, Y., et al. Organic NIR-II dyes with ultralong circulation persistence for image-guided delivery and therapy. Journal of Controlled Release. 342, 157-169 (2022).
  24. Li, Y., et al. Self-assembled NIR-II fluorophores with ultralong blood circulation for cancer imaging and image-guided surgery. Journal of Medicinal Chemistry. 65 (3), 2078-2090 (2022).
  25. Li, Q., et al. Novel small-molecule fluorophores for in vivo NIR-IIa and NIR-IIb imaging. Chemical Communications. 56 (22), 3289-3292 (2020).
  26. Li, J., et al. Recent advances in the development of NIR-II organic emitters for biomedicine. Coordination Chemistry Reviews. 415, 213318 (2020).
  27. Li, J., et al. long-fluorescence-lifetime dyes for deep-near-infrared bioimaging. Journal of the American Chemical Society. 144 (31), 14351-14362 (2022).
  28. Li, C., Chen, G., Zhang, Y., Wu, F., Wang, Q. Advanced fluorescence imaging technology in the near-infrared-II window for biomedical applications. Journal of the American Chemical Society. 142 (35), 14789-14804 (2020).
  29. Li, B., Lin, J., Huang, P., Chen, X. Near-infrared probes for luminescence lifetime imaging. Nanotheranostics. 6 (1), 91-102 (2022).
  30. Lei, Z., Zhang, F. Molecular engineering of NIR-II fluorophores for improved biomedical detection. Angewandte Chemie International Edition. 60 (30), 16294-16308 (2021).
  31. He, S., Song, J., Qu, J., Cheng, Z. Crucial breakthrough of second near-infrared biological window fluorophores: design and synthesis toward multimodal imaging and theranostics. Chemical Society Reviews. 47 (12), 4258-4278 (2018).
  32. Guo, P., et al. Standardized rat coronary ring preparation and real-time recording of dynamic tension changes along vessel diameter. Journal of Visualized Experiments. (184), e64121 (2022).
  33. Wang, X., et al. Salidroside, a phenyl ethanol glycoside from rhodiola crenulata, orchestrates hypoxic mitochondrial dynamics homeostasis by stimulating Sirt1/P53/Drp1 signaling. Journal of Ethnopharmacology. 293, 115278 (2022).
  34. Ji, A., et al. Acceptor engineering for NIR-II dyes with high photochemical and biomedical performance. Nature Communications. 13 (1), 3815 (2022).
  35. Hou, Y., et al. Salidroside intensifies mitochondrial function of CoCl2-damaged Ht22 cells by stimulating Pi3k-Akt-Mapk signaling pathway. Phytomedicine. , (2022).
  36. Jiang, Y., Pu, K. Molecular probes for autofluorescence-free optical imaging. Chemical Reviews. 121 (21), 13086-13131 (2021).

Tags

Keywords: NIR-II Fluorescence ProbeVascular ImagingTumor ImagingNIR-II WindowHLY1 DyeDSPE-PEG-2KNanoprecipitationAggregation-induced Emission (AIE)In Vivo ImagingOptical NIR-II Imaging System
check_url/kr/64875?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image