בדיקה פלואורסצנטית בהירה NIR-II להדמיית כלי דם וגידולים
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר פעולת הדמיה פלואורסצנטית מפורטת בזמן אמת של עכבר באמצעות מכשיר הדמיה אופטי NIR-II.
Abstract
כטכנולוגיית הדמיה מתפתחת, לדימות פלואורסצנטי אינפרא אדום קרוב II (NIR-II, 1000-1700 ננומטר) יש פוטנציאל משמעותי בתחום הביו-רפואי, בשל רגישותו הגבוהה, חדירת רקמות עמוקות והדמיה מעולה ברזולוציה מרחבית וזמנית. עם זאת, השיטה להקל על יישום הדמיה פלואורסצנטית NIR-II עבור כמה תחומים הדרושים בדחיפות, כגון מדעי הרפואה ורוקחות, הפתיעה חוקרים רלוונטיים. פרוטוקול זה מתאר בפירוט את יישומי הבנייה וההדמיה הביולוגית של בדיקה מולקולרית פלואורסצנטית NIR-II, HLY1, עם שלד D-A-D (תורם-מקבל-תורם). HLY1 הראה תכונות אופטיות טובות ותאימות ביולוגית. כמו כן, הדמיית כלי דם וגידולים NIR-II בעכברים בוצעה באמצעות מכשיר הדמיה אופטי NIR-II. תמונות פלואורסצנטיות מסוג NIR-II ברזולוציה גבוהה בזמן אמת נרכשו כדי להנחות את הזיהוי של גידולים ומחלות כלי דם. החל מהכנת הגשושית ועד לאיסוף הנתונים, איכות ההדמיה משתפרת מאוד, ומובטחת האותנטיות של הגשושיות המולקולריות NIR-II לרישום נתונים בהדמיה תוך-חיונית.
Introduction
דימות פלואורסצנטי הוא כלי הדמיה מולקולרית נפוץ במחקר בסיסי, והוא משמש לעתים קרובות גם כדי להנחות כריתה כירורגית של גידול במרפאות1. העיקרון המהותי של הדמיה פלואורסצנטית הוא להשתמש במצלמה כדי לקבל פלואורסצנטיות הנפלטת על ידי לייזר לאחר הקרנה של דגימות (רקמות, איברים וכו ‘) 2. התהליך מסתיים תוך מספר אלפיות שנייה3. ניתן לחלק את אורכי הגל של הדמיה פלואורסצנטית לאולטרה סגול (200-400 ננומטר), אזור נראה (400-700 ננומטר), אינפרא אדום קרוב I (NIR-I, 700-900 ננומטר) ואינפרא אדום קרוב II (NIR-II, 1000-1700 ננומטר)4,5,6. מכיוון שלמולקולות אנדוגניות כגון המוגלובין, מלנין, דאוקסיהמוגלובין ובילירובין ברקמות ביולוגיות יש בליעה חזקה ואפקט פיזור על האור באזורים גלויים, החדירה והרגישות של האור מופחתות מאוד, וההדמיה הפלואורסצנטית באורכי גל של אור נראה מושפעת לרעה 7,8,9.
לדימות פלואורסצנטי NIR-II יש בליעה ופיזור פוטונים נמוכים, מהירות הדמיה גבוהה וניגודיות (או רגישות) גבוהה בתמונה10,11. ככל שאורך הגל הפלואורסצנטי עולה, הבליעה והפיזור של הפלואורסצנטיות ברקמות ביולוגיות פוחתים בהדרגה, והפלואורסצנטיות האוטומטית באזור NIR-II נמוכה ביותר12. לפיכך, חלון NIR-II מגדיל משמעותית את עומק החדירה של רקמות ומשיג רזולוציה גבוהה יותר ויחס אות לרעש13,14,15. ניתן לחלק את חלון NIR-II לחלונות NIR-IIa (1300-1400 ננומטר) ו- NIR-lIb (1500-1700 ננומטר)16. עד כה, דווח על מספר אבני דרך של חומרי NIR-II, כולל ננו-צינוריות פחמן חד-דפנות של חומר אנאורגני, ננו-חלקיקי אדמה נדירים, נקודות קוונטיות, וחלקיקי פולימר מוליכים למחצה של חומר אורגני, צבעי מולקולות קטנות, חומרים זוהרים המושרים על ידי צבירה ועוד. 1,17,18,19,20,21,22. ננו-חומרים אנאורגניים נצברים בקלות בכבד, בטחול וכו’, ויש להם פוטנציאל לרעילות ביולוגית ארוכת טווח23. לפלואורופור אורגני של מולקולות קטנות יש את היתרונות של חילוף חומרים מהיר, רעילות נמוכה, שינוי קל ומבנה ברור, שהוא הבדיקה המבטיחה ביותר לשימוש קליני24.
מערכת ההדמיה האופטית NIR-II היא גם מרכיב קריטי בדימות ביולוגי פלואורסצנטי מכיוון שהיא יכולה לאסוף ביעילות אותות פלואורסצנטיים NIR-II מהגשושית NIR-II, ובכך להפוך תמונות תפקודיות, אנטומיות ומולקולריות מדויקות25,26. מערכת ההדמיה NIR-II כוללת בעיקר מצלמות אינפרא אדום בגלים קצרים, מסנני מעבר ארוך (LP), לייזרים ומעבדי מחשב. In vivo הדמיה פלואורסצנטית NIR-II נחשבת לאחת מגישות ההדמיה הישימות ביותר להבהרת מנגנוני מחלות ואופי החיים27,28,29. טכנולוגיית הדמיה NIR-II נמצאת בשימוש נרחב בתחומים ביו-רפואיים כגון גילוי תאים סרטניים, הדמיה דינמית, מעקב ממוקד in vivo וטיפול ממוקד, במיוחד במחקר אונקולוגי30,31. עם זאת, בהתחשב בדרישות הטכניות הגבוהות של טכנולוגיית הדמיה NIR-II על גשושיות ומכשירי הדמיה, היא גם תמוהה ומגבילה את השימוש המעשי של חוקרים בתחומים שונים. לכן, הכנת בדיקות הדמיה NIR-II והיישומים של הדמיה NIR-II מוצגים בפירוט במאמר זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הדמיה פלואורסצנטית NIR-I יכולה לשמש במידה מסוימת להדמיית גידולים וכלי דם, אך בשל אורך גל הפליטה המרבי המוגבל של פלואורופורים NIR-I (<900 ננומטר), התוצאה היא חדירה לקויה של רקמות ויחס רקע אות הגידול33,34. רזולוציית הדמיה ירודה ונמוכה עלולה לגרום לסטייה בין תוצאת הטיפ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה חלקית על ידי מענקים מ- NSFC (82273796, 82111530209), קרנות מיוחדות להנחיית פיתוח מדעי וטכנולוגי מקומי של הממשל המרכזי (XZ202202YD0021C, XZ202102YD0033C, XZ202001YD0028C), פרויקט מפתח לחדשנות מדעית וטכנית במחוז חוביי (2020BAB058), קרנות המחקר הבסיסיות לאוניברסיטאות המרכזיות ותוכניות המניעה והבקרה של COVID-19 באזור האוטונומי טיבט לפיתוח מדע וטכנולוגיה.
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 |
References
- 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).
