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

En ljus NIR-II fluorescenssond för vaskulär och tumöravbildning

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

Detta protokoll beskriver en detaljerad NIR-II-fluorescensavbildning i realtid av en mus med hjälp av en NIR-II-optikavbildningsenhet.

Abstract

Som en framväxande bildteknik har nära infraröd II (NIR-II, 1000-1700 nm) fluorescensavbildning betydande potential inom det biomedicinska området på grund av dess höga känslighet, djupa vävnadspenetration och överlägsen avbildning med rumslig och tidsmässig upplösning. Metoden för att underlätta implementeringen av NIR-II-fluorescensavbildning för vissa brådskande områden, såsom medicinsk vetenskap och farmaci, har dock förbryllat relevanta forskare. Detta protokoll beskriver i detalj konstruktion och bioimaging-tillämpningar av en NIR-II-fluorescensmolekylär sond, HLY1, med ett D-A-D (donor-acceptor-donor) skelett. HLY1 visade goda optiska egenskaper och biokompatibilitet. Vidare utfördes NIR-II vaskulär och tumöravbildning hos möss med hjälp av en NIR-II-optikavbildningsanordning. Högupplösta NIR-II-fluorescensbilder i realtid förvärvades för att vägleda detektering av tumörer och kärlsjukdomar. Från probberedning till datainsamling förbättras bildkvaliteten avsevärt och äktheten hos NIR-II-molekylära sonder för dataregistrering i intravital avbildning säkerställs.

Introduction

Fluorescensavbildning är det vanligaste molekylära avbildningsverktyget inom grundforskningen, och används också ofta för att vägleda kirurgisk tumörresektion i klinik1. Den väsentliga principen för fluorescensavbildning är att använda en kamera för att ta emot fluorescens som emitteras av en laser efter bestrålning av prover (vävnader, organ etc.) 2. Processen är klar inom några millisekunder3. Våglängderna för fluorescensavbildning kan delas in i ultraviolett (200-400 nm), synligt område (400-700 nm), nära infrarött I (NIR-I, 700-900 nm) och nära infrarött II (NIR-II, 1000-1700 nm)4,5,6. Eftersom de endogena molekylerna såsom hemoglobin, melanin, deoxihemoglobin och bilirubin i biologiska vävnader har stark absorption och en spridande effekt på ljuset i synliga områden, reduceras ljusets penetration och känslighet kraftigt och fluorescensavbildningen i synliga ljusvåglängder påverkas negativt 7,8,9.

NIR-II-fluorescensavbildning har låg fotonabsorption och -spridning, hög bildhastighet och hög bildkontrast (eller känslighet)10,11. När fluorescensvåglängden ökar minskar absorptionen och spridningen av fluorescens i biologiska vävnader gradvis, och autofluorescensen i NIR-II-regionen är extremt låg12. Således ökar NIR-II-fönstret signifikant penetrationsdjupet hos vävnader och erhåller en högre upplösning och signal-brusförhållande13,14,15. NIR-II-fönstret kan vidare delas in i NIR-IIa (1300-1400 nm) och NIR-lIb (1500-1700 nm) windows16. Hittills har flera milstolpar NIR-II-material rapporterats, inklusive oorganiska material enkelväggiga kolnanorör, sällsynta jordartsmetallnanopartiklar, kvantprickar och organiska halvledarpolymernanopartiklar, småmolekylära färgämnen, aggregeringsinducerade självlysande material etc. 1,17,18,19,20,21,22. Oorganiska nanomaterial ackumuleras lätt i levern, mjälten osv. och har potentiell långsiktig biotoxicitet23. Organisk småmolekylär fluorofor har fördelarna med snabb metabolism, låg toxicitet, enkel modifiering och en tydlig struktur, vilket är den mest lovande sonden för klinisk användning24.

NIR-II-optikavbildningssystemet är också en kritisk komponent i fluorescensbioimaging eftersom det effektivt kan samla in NIR-II-fluorescenssignaler från NIR-II-sonden, vilket ger exakta funktionella, anatomiska och molekylära bilder25,26. NIR-II-bildsystemet består huvudsakligen av kortvågiga infraröda kameror, långpassfilter (LP), lasrar och datorprocessorer. In vivo NIR-II fluorescerande avbildning anses vara en av de mest genomförbara avbildningsmetoderna för att belysa mekanismerna för sjukdomar och livets natur27,28,29. NIR-II-bildteknik har använts i stor utsträckning inom biomedicinska områden som detektering av cancerceller, dynamisk avbildning, in vivo-riktad spårning och riktad terapi, särskilt inom onkologiforskning30,31. Men med tanke på de höga tekniska kraven på NIR-II-bildteknik på bildprober och instrument, förbryllar och begränsar det också den praktiska användningen av forskare inom olika områden. Därför introduceras beredningen av NIR-II-avbildningsprober och tillämpningarna av NIR-II-avbildning i detalj i denna artikel.

Protocol

Djurförsök för NIR-II-avbildningsstudier genomfördes vid Animal Experiment Center vid Wuhan University, som har tilldelats International Association for Experimental Animal Care (AALAC). Alla djurstudier genomfördes enligt China Animal Welfare Commission Guidelines for the Care and Use of Experimental Animals och godkändes av Animal Care and Use Committee (IACUC) vid Animal Experimental Center vid Wuhan University. Kvinnliga nakna BALB/c-möss (~20 g) vid 6 veckors ålder användes i den…

Representative Results

Den fluorescerande intensiteten och ljusstyrkan hos vattensuspensibla HLY1-punkter bestämdes av ett NIR-II-bildinstrument. Den fluorescerande intensiteten av HLY1 i 90% f wTHF / H2O-blandningen var fem gånger den i THF-lösningen, vilket indikerade en framträdande AIE-egenskap hos HLY1 (figur 1B). Dessutom sände HLY1-punkter ut starka fluorescerande signaler under ett 1 500 nm LP-filter, vilket visar att HLY1-punkter kan användas för NIR-IIb-avbildning (<…

Discussion

NIR-I fluorescerande avbildning kan användas i viss utsträckning för tumör- och vaskulär avbildning, men på grund av den begränsade maximala emissionsvåglängden för NIR-I-fluoroforer (<900 nm) resulterar det i dålig vävnadspenetration och tumörsignalens bakgrundsförhållande33,34. Dålig och låg bildupplösning kan orsaka en avvikelse mellan resultatet av avbildningsåterkopplingsbehandlingen och den faktiska terapeutiska effekten. Dessutom har de …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes delvis av bidrag från NSFC (82273796, 82111530209), Särskilda fonder för att vägleda lokal vetenskaplig och teknisk utveckling av staten (XZ202202YD0021C, XZ202102YD0033C, XZ202001YD0028C), Hubei-provinsens vetenskapliga och tekniska innovationsnyckelprojekt (2020BAB058), grundforskningsfonderna för de centrala universiteten och Tibet Autonomous Region COVID-19 förebyggande och kontrollprogram för vetenskap och teknikutveckling.

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

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

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