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

Vasküler ve Tümör Görüntüleme için Parlak Bir NIR-II Floresan Probu

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

Mevcut protokol, bir NIR-II optik görüntüleme cihazı kullanan bir farenin ayrıntılı, gerçek zamanlı NIR-II floresan görüntüleme işlemini tanımlamaktadır.

Abstract

Gelişmekte olan bir görüntüleme teknolojisi olan yakın kızılötesi II (NIR-II, 1000-1700 nm) floresan görüntüleme, yüksek hassasiyeti, derin doku penetrasyonu ve mekansal ve zamansal çözünürlükte üstün görüntüleme sayesinde biyomedikal alanda önemli bir potansiyele sahiptir. Bununla birlikte, tıp bilimi ve eczacılık gibi acil olarak ihtiyaç duyulan bazı alanlar için NIR-II floresan görüntülemenin uygulanmasını kolaylaştırma yöntemi, ilgili araştırmacıları şaşırtmıştır. Bu protokol, bir D-A-D (donör-alıcı-donör) iskeletine sahip bir NIR-II floresan moleküler probu olan HLY1’in yapım ve biyogörüntüleme uygulamalarını ayrıntılı olarak açıklamaktadır. HLY1 iyi optik özellikler ve biyouyumluluk gösterdi. Ayrıca, farelerde NIR-II vasküler ve tümör görüntüleme, bir NIR-II optik görüntüleme cihazı kullanılarak gerçekleştirildi. Tümörlerin ve vasküler hastalıkların saptanmasına rehberlik etmek için gerçek zamanlı yüksek çözünürlüklü NIR-II floresan görüntüleri elde edildi. Prob hazırlamadan veri toplamaya kadar, görüntüleme kalitesi büyük ölçüde iyileştirilir ve intravital görüntülemede veri kaydı için NIR-II moleküler probların orijinalliği sağlanır.

Introduction

Floresan görüntüleme, temel araştırmalarda yaygın olarak kullanılan moleküler görüntüleme aracıdır ve ayrıca kliniklerde cerrahi tümör rezeksiyonuna rehberlik etmek için sıklıkla kullanılır1. Floresan görüntülemenin temel prensibi, numunelerin (dokular, organlar vb.) ışınlanmasından sonra lazer tarafından yayılan floresanı almak için bir kamera kullanmaktır. 2. İşlem birkaç milisaniye içinde tamamlanır3. Floresan görüntüleme dalga boyları ultraviyole (200-400 nm), görünür bölge (400-700 nm), yakın kızılötesi I (NIR-I, 700-900 nm) ve yakın kızılötesi II (NIR-II, 1000-1700 nm)4,5,6’ya ayrılabilir. Biyolojik dokulardaki hemoglobin, melanin, deoksihemoglobin ve bilirubin gibi endojen moleküller görünür bölgelerde ışık üzerinde güçlü bir emilim ve saçılma etkisine sahip olduklarından, ışığın penetrasyonu ve duyarlılığı büyük ölçüde azalır ve görünür ışık dalga boylarında floresan görüntüleme olumsuz etkilenir 7,8,9.

NIR-II floresan görüntüleme düşük foton emilimi ve saçılmasına, yüksek görüntüleme hızına ve yüksek görüntü kontrastına (veya hassasiyetine) sahiptir10,11. Floresan dalga boyu arttıkça, biyolojik dokulardaki floresanın emilimi ve saçılması kademeli olarak azalır ve NIR-II bölgesindeki oto-floresan son derece düşüktür12. Böylece, NIR-II penceresi dokuların penetrasyon derinliğini önemli ölçüde artırır ve daha yüksek bir çözünürlük ve sinyal-gürültü oranı13,14,15 elde eder. NIR-II penceresi ayrıca NIR-IIa (1300-1400 nm) ve NIR-lIb (1500-1700 nm) pencereleri16’ya bölünebilir. Bugüne kadar, inorganik malzeme tek duvarlı karbon nanotüpler, nadir toprak nanopartikülleri, kuantum noktaları ve organik malzeme yarı iletken polimer nanopartikülleri, küçük moleküllü boyalar, toplama kaynaklı ışıldayan malzemeler vb. dahil olmak üzere birkaç kilometre taşı NIR-II malzemesi bildirilmiştir. 1,17,18,19,20,21,22. İnorganik nanomalzemeler karaciğerde, dalakta vb. kolayca birikir ve potansiyel uzun vadeli biyotoksisiteye sahiptir23. Organik küçük moleküllü florofor, hızlı metabolizma, düşük toksisite, kolay modifikasyon ve klinik kullanım için en umut verici prob olan berrak bir yapıya sahiptir24.

NIR-II optik görüntüleme sistemi aynı zamanda floresan biyogörüntülemenin kritik bir bileşenidir, çünkü NIR-II probundan NIR-II floresan sinyallerini etkili bir şekilde toplayabilir, böylece hassas işlevsel, anatomik ve moleküler görüntüler oluşturabilir25,26. NIR-II görüntüleme sistemi esas olarak kısa dalga kızılötesi kameralar, uzun geçişli (LP) filtreler, lazerler ve bilgisayar işlemcilerinden oluşur. İn vivo NIR-II floresan görüntüleme, hastalıkların mekanizmalarını ve yaşamın doğasını aydınlatmak için en uygun görüntüleme yaklaşımlarından biri olarak kabul edilir27,28,29. NIR-II görüntüleme teknolojisi, kanser hücresi tespiti, dinamik görüntüleme, in vivo hedefli izleme ve hedefe yönelik tedavi gibi biyomedikal alanlarda, özellikle onkoloji araştırmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır30,31. Bununla birlikte, NIR-II görüntüleme teknolojisinin görüntüleme probları ve aletleri üzerindeki yüksek teknik gereksinimleri göz önüne alındığında, araştırmacıların farklı alanlardaki pratik kullanımlarını da şaşırtmakta ve kısıtlamaktadır. Bu nedenle, NIR-II görüntüleme problarının hazırlanması ve NIR-II görüntülemenin uygulamaları bu makalede ayrıntılı olarak tanıtılmıştır.

Protocol

NIR-II görüntüleme çalışmaları için hayvan deneyleri, Uluslararası Deneysel Hayvan Bakımı Birliği’ne (AALAC) layık görülen Wuhan Üniversitesi Hayvan Deney Merkezi’nde gerçekleştirildi. Tüm hayvan çalışmaları, Çin Hayvan Refahı Komisyonu Deney Hayvanlarının Bakımı ve Kullanımı için Kılavuz İlkeleri izlenerek yürütülmüş ve Wuhan Üniversitesi Hayvan Deney Merkezi Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmıştır. Bu çalışmada 6 haf…

Representative Results

Su ile duyarlı HLY1 noktalarının floresan yoğunluğu ve parlaklığı bir NIR-II görüntüleme cihazı tarafından belirlendi. fwTHF/H2O karışımındaki HLY1’in floresan yoğunluğu, THF çözeltisindekinden beş kat daha fazlaydı ve bu da HLY1’in belirgin bir AIE özelliğini gösterdi (Şekil 1B). Ayrıca, HLY1 noktaları, 1.500 nm LP filtresinin altında güçlü floresan sinyalleri yaydı ve HLY1 noktalarının NIR-IIb görüntüleme için kulla…

Discussion

NIR-I floresan görüntüleme, tümör ve vasküler görüntüleme için bir dereceye kadar kullanılabilir, ancak NIR-I floroforların sınırlı maksimum emisyon dalga boyu (<900 nm) nedeniyle, zayıf doku penetrasyonu ve tümör sinyal arka plan oranı33,34 ile sonuçlanır. Zayıf ve düşük görüntüleme çözünürlüğü, görüntüleme geri bildirim tedavisinin sonucu ile gerçek terapötik etki arasında bir sapmaya neden olabilir. Ek olarak, çoğu NI…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma kısmen NSFC (82273796, 82111530209), Merkezi Hükümetin Yerel Bilim ve Teknoloji Gelişimine Rehberlik için Özel Fonlar (XZ202202YD0021C, XZ202102YD0033C, XZ202001YD0028C), Hubei Eyaleti Bilimsel ve Teknik İnovasyon Anahtar Projesi (2020BAB058), Merkezi Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları ve Tibet Özerk Bölgesi COVID-19 Bilim ve Teknoloji Geliştirme için Önleme ve Kontrol Programları tarafından desteklenmiştir.

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
check_url/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