Eine helle NIR-II-Fluoreszenzsonde für die Gefäß- und Tumorbildgebung
Summary
Das vorliegende Protokoll beschreibt eine detaillierte Echtzeit-NIR-II-Fluoreszenz-Bildgebungsoperation einer Maus unter Verwendung eines NIR-II-optischen Bildgebungsgeräts.
Abstract
Als aufstrebende Bildgebungstechnologie hat die Nahinfrarot-II-FLUORESZENZBILDGEBUNG (NIR-II, 1000-1700 nm) aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, ihrer tiefen Gewebedurchdringung und ihrer überlegenen Bildgebung mit räumlicher und zeitlicher Auflösung ein erhebliches Potenzial im biomedizinischen Bereich. Die Methode zur Erleichterung der Implementierung der NIR-II-Fluoreszenzbildgebung für einige dringend benötigte Bereiche wie Medizin und Pharmazie hat jedoch relevante Forscher verwirrt. Dieses Protokoll beschreibt detailliert den Aufbau und die Bioimaging-Anwendungen einer molekularen NIR-II-Fluoreszenzsonde, HLY1, mit einem D-A-D-Skelett (Donor-Akzeptor-Donor). HLY1 zeigte gute optische Eigenschaften und Biokompatibilität. Darüber hinaus wurde die NIR-II-Gefäß- und Tumorbildgebung bei Mäusen mit einem NIR-II-Optik-Bildgebungsgerät durchgeführt. Es wurden hochauflösende NIR-II-Fluoreszenzbilder in Echtzeit aufgenommen, um die Erkennung von Tumoren und Gefäßerkrankungen zu steuern. Von der Sondenvorbereitung bis zur Datenerfassung wird die Bildqualität erheblich verbessert und die Authentizität der molekularen NIR-II-Sonden für die Datenaufzeichnung in der intravitalen Bildgebung sichergestellt.
Introduction
Die Fluoreszenzbildgebung ist das am häufigsten verwendete molekulare Bildgebungswerkzeug in der Grundlagenforschung und wird auch häufig zur Steuerung der chirurgischen Tumorresektion in Klinikeneingesetzt 1. Das wesentliche Prinzip der Fluoreszenzbildgebung besteht darin, eine Kamera zu verwenden, um die von einem Laser emittierte Fluoreszenz nach der Bestrahlung von Proben (Gewebe, Organe usw.) zu empfangen. 2. Der Vorgang ist innerhalb weniger Millisekunden abgeschlossen3. Die Wellenlängen der Fluoreszenzbildgebung können in ultraviolette (200-400 nm), sichtbare Bereiche (400-700 nm), Nahinfrarot I (NIR-I, 700-900 nm) und Nahinfrarot II (NIR-II, 1000-1700 nm) unterteilt werden4,5,6. Da die endogenen Moleküle wie Hämoglobin, Melanin, Desoxyhämoglobin und Bilirubin in biologischen Geweben eine starke Absorption und einen Streueffekt auf das Licht in sichtbaren Bereichen haben, werden das Eindringen und die Empfindlichkeit des Lichts stark reduziert, und die Fluoreszenzbildgebung in Wellenlängen des sichtbaren Lichts wird nachteilig beeinflusst 7,8,9.
Die NIR-II-Fluoreszenzbildgebung weist eine geringe Photonenabsorption und -streuung, eine hohe Abbildungsgeschwindigkeit und einen hohen Bildkontrast (oder eine hohe Empfindlichkeit) auf10,11. Mit zunehmender Fluoreszenzwellenlänge nimmt die Absorption und Streuung von Fluoreszenz in biologischen Geweben allmählich ab, und die Autofluoreszenz in der NIR-II-Region ist extrem niedrig12. Somit erhöht das NIR-II-Fenster die Eindringtiefe von Geweben signifikant und erhält eine höhere Auflösung und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis13,14,15. Das NIR-II-Fenster kann weiter unterteilt werden in die Fenster NIR-IIa (1300-1400 nm) und NIR-lIb (1500-1700 nm)16. Bisher wurden mehrere Meilensteine von NIR-II-Materialien berichtet, darunter einwandige Kohlenstoffnanoröhren aus anorganischem Material, Seltenerd-Nanopartikel, Quantenpunkte und Halbleiterpolymer-Nanopartikel aus organischem Material, niedermolekulare Farbstoffe, aggregationsinduzierte Lumineszenzmaterialien usw. 1,17,18,19,20,21,22. Anorganische Nanomaterialien reichern sich leicht in Leber, Milz usw. an und haben eine potenzielle langfristige Biotoxizität23. Organisches niedermolekulares Fluorophor hat die Vorteile eines schnellen Stoffwechsels, einer geringen Toxizität, einer einfachen Modifikation und einer klaren Struktur, die die vielversprechendste Sonde für den klinischen Einsatz ist24.
Das optische Bildgebungssystem NIR-II ist auch eine wichtige Komponente der Fluoreszenz-Biobildgebung, da es NIR-II-Fluoreszenzsignale von der NIR-II-Sonde effizient erfassen und so präzise funktionelle, anatomische und molekulare Bilder liefernkann 25,26. Das NIR-II-Bildgebungssystem besteht hauptsächlich aus Kurzwellen-Infrarotkameras, Langpassfiltern, Lasern und Computerprozessoren. Im lebenden Organismus Die NIR-II-Fluoreszenzbildgebung gilt als einer der praktikabelsten bildgebenden Ansätze zur Aufklärung der Mechanismen von Krankheiten und der Natur des Lebens27,28,29. Die NIR-II-Bildgebungstechnologie ist in biomedizinischen Bereichen wie der Erkennung von Krebszellen, der dynamischen Bildgebung, der gezielten In-vivo-Verfolgung und der gezielten Therapie, insbesondere in der onkologischen Forschung, weit verbreitet30,31. Angesichts der hohen technischen Anforderungen der NIR-II-Bildgebungstechnologie an bildgebende Sonden und Instrumente verwirrt und schränkt sie jedoch auch den praktischen Einsatz von Forschern in verschiedenen Bereichen ein. Daher werden in diesem Artikel die Herstellung von NIR-II-Bildgebungssonden und die Anwendungen der NIR-II-Bildgebung ausführlich vorgestellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die NIR-I-Fluoreszenzbildgebung kann bis zu einem gewissen Grad für die Tumor- und Gefäßbildgebung verwendet werden, führt jedoch aufgrund der begrenzten maximalen Emissionswellenlänge von NIR-I-Fluorophoren (<900 nm) zu einer schlechten Gewebepenetration und einem Tumorsignalhintergrundverhältnisvon 33,34. Eine schlechte und niedrige Bildgebungsauflösung kann zu einer Abweichung zwischen dem Ergebnis der bildgebenden Feedbackbehandlung und dem tatsächlic…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde teilweise durch Zuschüsse der NSFC (82273796, 82111530209), Sonderfonds zur Steuerung der lokalen Wissenschafts- und Technologieentwicklung der Zentralregierung (XZ20220202YD0021C, XZ202102YD0033C, XZ202001YD0028C), des Schlüsselprojekts für wissenschaftliche und technische Innovation der Provinz Hubei (2020BAB058), der Grundlagenforschungsfonds für die zentralen Universitäten und der COVID-19-Präventions- und Kontrollprogramme der Autonomen Region Tibet für die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie unterstützt.
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).
