Яркий флуоресцентный зонд NIR-II для визуализации сосудов и опухолей
Summary
В настоящем протоколе описывается детальная операция флуоресцентной визуализации мыши в режиме реального времени NIR-II с использованием оптического устройства визуализации NIR-II.
Abstract
Флуоресцентная визуализация ближнего инфракрасного диапазона II (NIR-II, 1000-1700 нм) имеет значительный потенциал в биомедицинской области благодаря своей высокой чувствительности, глубокому проникновению в ткани и превосходной визуализации с пространственным и временным разрешением. Тем не менее, метод, облегчающий внедрение флуоресцентной визуализации NIR-II для некоторых остро необходимых областей, таких как медицина и фармация, озадачил соответствующих исследователей. В этом протоколе подробно описывается конструкция и применение биовизуализации флуоресцентного молекулярного зонда NIR-II, HLY1, со скелетом D-A-D (донор-акцептор-донор). HLY1 показал хорошие оптические свойства и биосовместимость. Кроме того, визуализация сосудов и опухолей NIR-II у мышей проводилась с использованием оптического устройства визуализации NIR-II. Флуоресцентные изображения NIR-II с высоким разрешением в режиме реального времени были получены для выявления опухолей и сосудистых заболеваний. От подготовки зонда до сбора данных качество визуализации значительно улучшается, и обеспечивается подлинность молекулярных зондов NIR-II для записи данных при прижизненной визуализации.
Introduction
Флуоресцентная визуализация является широко используемым инструментом молекулярной визуализации в фундаментальных исследованиях, а также часто используется для проведения хирургической резекции опухоли в клиниках1. Основной принцип флуоресцентной визуализации заключается в использовании камеры для получения флуоресценции, испускаемой лазером после облучения образцов (тканей, органов и т. Д.) 2. Процесс завершается в течение нескольких миллисекунд3. Длины волн флуоресцентной визуализации можно разделить на ультрафиолетовую (200-400 нм), видимую область (400-700 нм), ближнюю инфракрасную I (NIR-I, 700-900 нм) и ближнюю инфракрасную II (NIR-II, 1000-1700 нм)4,5,6. Поскольку эндогенные молекулы, такие как гемоглобин, меланин, дезоксигемоглобин и билирубин в биологических тканях, оказывают сильное поглощающее и рассеивающее действие на свет в видимых областях, проникновение и чувствительность света значительно снижаются, а флуоресцентная визуализация в длинах волн видимого света подвергается неблагоприятному влиянию 7,8,9.
Флуоресцентная визуализация NIR-II имеет низкое поглощение и рассеяние фотонов, высокую скорость визуализации и высокую контрастность (или чувствительность) изображения10,11. По мере увеличения длины волны флуоресценции поглощение и рассеяние флуоресценции в биологических тканях постепенно уменьшаются, а автофлуоресценция в области NIR-II чрезвычайно мала12. Таким образом, окно NIR-II значительно увеличивает глубину проникновения тканей и получает более высокое разрешение и отношение сигнал/шум13,14,15. Окно NIR-II можно разделить на окна NIR-IIa (1300-1400 нм) и NIR-lIb (1500-1700 нм)16. На сегодняшний день сообщалось о нескольких основных материалах NIR-II, включая одностенные углеродные нанотрубки из неорганических материалов, редкоземельные наночастицы, квантовые точки и полупроводниковые полимерные наночастицы из органических материалов, низкомолекулярные красители, люминесцентные материалы, индуцированные агрегацией, и т. д. 1,17,18,19,20,21,22. Неорганические наноматериалы легко накапливаются в печени, селезенке и т. д. и обладают потенциальной долгосрочной биотоксичностью23. Органический низкомолекулярный флуорофор обладает такими преимуществами, как быстрый метаболизм, низкая токсичность, легкая модификация и четкая структура, что является наиболее перспективным зондом для клинического использования24.
Оптическая система визуализации NIR-II также является важнейшим компонентом флуоресцентной биовизуализации, поскольку она может эффективно собирать флуоресцентные сигналы NIR-II от зонда NIR-II, тем самым получая точные функциональные, анатомические и молекулярные изображения25,26. Система визуализации NIR-II в основном включает в себя коротковолновые инфракрасные камеры, фильтры длинных частот (LP), лазеры и компьютерные процессоры. В естественных условиях Флуоресцентная визуализация NIR-II считается одним из наиболее осуществимых подходов к визуализации для выяснения механизмов заболеваний и характера жизни27,28,29. Технология визуализации NIR-II широко используется в биомедицинских областях, таких как обнаружение раковых клеток, динамическая визуализация, целевое отслеживание in vivo и таргетная терапия, особенно в онкологических исследованиях30,31. Однако, учитывая высокие технические требования к технологии визуализации NIR-II к датчикам и инструментам визуализации, это также озадачивает и ограничивает практическое использование исследователей в различных областях. Таким образом, в этой статье подробно рассматривается подготовка датчиков для получения изображений NIR-II и применение изображений NIR-II.
Protocol
Representative Results
Discussion
Флуоресцентная визуализация NIR-I может быть в некоторой степени использована для визуализации опухолей и сосудов, но из-за ограниченной максимальной длины волны излучения флуорофоров NIR-I (<900 нм) это приводит к плохому проникновению в ткани и фоновому отношению сигнала опухоли…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана грантами NSFC (82273796, 82111530209), Специальными фондами для руководства местным научно-техническим развитием центрального правительства (XZ202202YD0021C, XZ202102YD0033C, XZ202001YD0028C), Ключевым научно-техническим инновационным проектом провинции Хубэй (2020BAB058), Фондами фундаментальных исследований для центральных университетов и Программами профилактики и контроля COVID-19 Тибетского автономного района для развития науки и технологий.
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 |
Referências
- 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).
- 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).
- Zhang, F., Tang, B. Z. Near-infrared luminescent probes for bioimaging and biosensing. Chemical Science. 12 (10), 3377-3378 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, S., Li, B., Zhang, F. Molecular fluorophores for deep-tissue bioimaging. ACS Central Science. 6 (8), 1302-1316 (2020).
- 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).
- 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).
- Mu, J., et al. The chemistry of organic contrast agents in the NIR-II window. Angewandte Chemie International Edition. 61 (14), 202114722 (2022).
- Lu, S., et al. NIR-II fluorescence/photoacoustic imaging of ovarian cancer and peritoneal metastasis. Nano Research. 15 (10), 9183-9191 (2022).
- Liu, Y., et al. Novel Cd-Mof NIR-II fluorophores for gastric ulcer imaging. Chinese Chemical Letters. 32 (10), 3061-3065 (2021).
- Lin, J., et al. Novel near-infrared II aggregation-induced emission dots for in vivo bioimaging. Chemical Science. 10 (4), 1219-1226 (2018).
- 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).
- Li, Y., et al. Novel NIR-II organic fluorophores for bioimaging beyond 1550 nm. Chemical Science. 11 (10), 2621-2626 (2020).
- 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).
- 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).
- Li, Q., et al. Novel small-molecule fluorophores for in vivo NIR-IIa and NIR-IIb imaging. Chemical Communications. 56 (22), 3289-3292 (2020).
- Li, J., et al. Recent advances in the development of NIR-II organic emitters for biomedicine. Coordination Chemistry Reviews. 415, 213318 (2020).
- Li, J., et al. long-fluorescence-lifetime dyes for deep-near-infrared bioimaging. Journal of the American Chemical Society. 144 (31), 14351-14362 (2022).
- 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).
- Li, B., Lin, J., Huang, P., Chen, X. Near-infrared probes for luminescence lifetime imaging. Nanotheranostics. 6 (1), 91-102 (2022).
- Lei, Z., Zhang, F. Molecular engineering of NIR-II fluorophores for improved biomedical detection. Angewandte Chemie International Edition. 60 (30), 16294-16308 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ji, A., et al. Acceptor engineering for NIR-II dyes with high photochemical and biomedical performance. Nature Communications. 13 (1), 3815 (2022).
- Hou, Y., et al. Salidroside intensifies mitochondrial function of CoCl2-damaged Ht22 cells by stimulating Pi3k-Akt-Mapk signaling pathway. Phytomedicine. , (2022).
- Jiang, Y., Pu, K. Molecular probes for autofluorescence-free optical imaging. Chemical Reviews. 121 (21), 13086-13131 (2021).
