Summary

En lys NIR-II fluorescenssonde til vaskulær og tumorbilleddannelse

Published: March 17, 2023
doi:

Summary

Denne protokol beskriver en detaljeret, real-time NIR-II fluorescens imaging operation af en mus ved hjælp af en NIR-II optik billeddannelse enhed.

Abstract

Som en ny billeddannelsesteknologi har nær-infrarød II (NIR-II, 1000-1700 nm) fluorescensbilleddannelse et betydeligt potentiale på det biomedicinske område på grund af dets høje følsomhed, dybe vævsindtrængning og overlegen billeddannelse med rumlig og tidsmæssig opløsning. Metoden til at lette implementeringen af NIR-II-fluorescensbilleddannelse til nogle presserende nødvendige områder, såsom medicinsk videnskab og farmaci, har imidlertid undret relevante forskere. Denne protokol beskriver detaljeret konstruktionen og bioimaging anvendelser af en NIR-II fluorescens molekylær sonde, HLY1, med et D-A-D (donor-acceptor-donor) skelet. HLY1 viste gode optiske egenskaber og biokompatibilitet. Desuden blev NIR-II vaskulær og tumorbilleddannelse hos mus udført ved hjælp af en NIR-II optisk billeddannelsesenhed. NIR-II-fluorescensbilleder i realtid i høj opløsning blev erhvervet for at guide påvisning af tumorer og vaskulære sygdomme. Fra sondeforberedelse til dataindsamling forbedres billedkvaliteten betydeligt, og ægtheden af NIR-II-molekylære sonder til dataregistrering i intravital billeddannelse sikres.

Introduction

Fluorescensbilleddannelse er det almindeligt anvendte molekylære billeddannelsesværktøj i grundforskning og bruges også ofte til at guide kirurgisk tumorresektion i klinikker1. Det grundlæggende princip for fluorescensbilleddannelse er at anvende et kamera til at modtage fluorescens udsendt af en laser efter bestråling af prøver (væv, organer osv.) 2. Processen afsluttes inden for få millisekunder3. Fluorescensbilleddannelsesbølgelængderne kan opdeles i ultraviolet (200-400 nm), synligt område (400-700 nm), nær-infrarød I (NIR-I, 700-900 nm) og nær-infrarød II (NIR-II, 1000-1700 nm)4,5,6. Fordi de endogene molekyler såsom hæmoglobin, melanin, deoxyhemoglobin og bilirubin i biologiske væv har stærk absorption og en spredningseffekt på lyset i synlige områder, reduceres lysets penetration og følsomhed kraftigt, og fluorescensbilleddannelse i synlige lysbølgelængder påvirkes negativt 7,8,9.

NIR-II fluorescensbilleddannelse har lav fotonabsorption og spredning, høj billedhastighed og høj billedkontrast (eller følsomhed)10,11. Når fluorescensbølgelængden øges, falder absorptionen og spredningen af fluorescens i biologiske væv gradvist, og autofluorescensen i NIR-II-regionen er ekstremt lav12. Således øger NIR-II-vinduet signifikant penetrationsdybden af væv og opnår en højere opløsning og signal-støj-forhold13,14,15. NIR-II-vinduet kan yderligere opdeles i NIR-IIa (1300-1400 nm) og NIR-lIb (1500-1700 nm) vinduer16. Til dato er der rapporteret flere milepæle NIR-II-materialer, herunder uorganisk materiale enkeltvæggede kulstofnanorør, sjældne jordarters nanopartikler, kvantepunkter og organiske materiale halvlederpolymernanopartikler, småmolekylefarvestoffer, aggregeringsinducerede selvlysende materialer osv. 1,17,18,19,20,21,22. Uorganiske nanomaterialer akkumuleres let i leveren, milten osv. og har potentiel biotoksicitet på lang sigt23. Organisk småmolekylefluorofor har fordelene ved hurtig metabolisme, lav toksicitet, let modifikation og en klar struktur, som er den mest lovende sonde til klinisk brug24.

NIR-II-billeddannelsessystemet er også en kritisk komponent i fluorescensbiobilleddannelse, fordi det effektivt kan indsamle NIR-II-fluorescenssignaler fra NIR-II-sonden og dermed gengive præcise funktionelle, anatomiske og molekylære billeder25,26. NIR-II-billedbehandlingssystemet består hovedsageligt af kortbølgede infrarøde kameraer, langpasfiltre (LP), lasere og computerprocessorer. In vivo NIR-II fluorescerende billeddannelse betragtes som en af de mest gennemførlige billeddannelsesmetoder til belysning af sygdomsmekanismer og livets natur27,28,29. NIR-II-billeddannelsesteknologi er blevet brugt i vid udstrækning inden for biomedicinske områder såsom kræftcelledetektion, dynamisk billeddannelse, in vivo målrettet sporing og målrettet terapi, især inden for onkologisk forskning30,31. I betragtning af de høje tekniske krav til NIR-II-billeddannelsesteknologi på billedsonder og instrumenter pusler og begrænser det også den praktiske anvendelse af forskere på forskellige områder. Derfor introduceres forberedelsen af NIR-II-billeddannelsessonder og anvendelserne af NIR-II-billeddannelse detaljeret i denne artikel.

Protocol

Dyreforsøg til NIR-II-billeddannelsesundersøgelser blev udført på Animal Experiment Center ved Wuhan University, som er blevet tildelt International Association for Experimental Animal Care (AALAC). Alle dyreforsøg blev udført i henhold til China Animal Welfare Commission Guidelines for the Care and Use of Experimental Animals og godkendt af Animal Care and Use Committee (IACUC) fra Animal Experimental Center ved Wuhan University. Hunmus med BALB/c nøgen mus (~20 g) ved 6 ugers alderen …

Representative Results

Den fluorescerende intensitet og lysstyrke af vandspændende HLY1-prikker blev bestemt af et NIR-II-billeddannelsesinstrument. Den fluorescerende intensitet af HLY1 i 90% fw THF/H2O-blandingenvar fem gange så høj som i THF-opløsningen, hvilket indikerede et fremtrædende AIE-træk ved HLY1 (figur 1B). Desuden udsendte HLY1-prikker stærke fluorescerende signaler under et 1.500 nm LP-filter, hvilket viser, at HLY1-prikker kan bruges til NIR-IIb-billeddannelse…

Discussion

NIR-I fluorescerende billeddannelse kan til en vis grad anvendes til tumor- og vaskulær billeddannelse, men på grund af den begrænsede maksimale emissionsbølgelængde af NIR-I-fluoroforer (<900 nm) resulterer det i dårlig vævspenetration og tumorsignalbaggrundsforhold33,34. Dårlig og lav billedopløsning kan forårsage en afvigelse mellem resultatet af billedfeedbackbehandlingen og den faktiske terapeutiske effekt. Derudover har de fleste NIR-I-fluoroforer…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev delvist støttet af tilskud fra NSFC (82273796, 82111530209), Special Funds for Guiding Local Science and Technology Development of Central Government (XZ202202YD0021C, XZ202102YD0033C, XZ202001YD0028C), Hubei-provinsens videnskabelige og tekniske innovationsnøgleprojekt (2020BAB058), grundforskningsmidlerne til de centrale universiteter og Tibet autonome region COVID-19 forebyggelses- og kontrolprogrammer for videnskab og teknologiudvikling.

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

  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).

Play Video

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).

View Video