En lys NIR-II fluorescenssonde for vaskulær og tumoravbildning
Summary
Den nåværende protokollen beskriver en detaljert, sanntids NIR-II fluorescensavbildningsoperasjon av en mus ved hjelp av en NIR-II optikkbildeenhet.
Abstract
Som en fremvoksende bildebehandlingsteknologi har nær-infrarød II (NIR-II, 1000-1700 nm) fluorescensavbildning betydelig potensial i det biomedisinske feltet på grunn av sin høye følsomhet, dype vevspenetrasjon og overlegen avbildning med romlig og tidsmessig oppløsning. Metoden for å lette implementeringen av NIR-II fluorescensavbildning for noen presserende nødvendige felt, som medisinsk vitenskap og farmasi, har imidlertid forvirret relevante forskere. Denne protokollen beskriver i detalj konstruksjons- og bioimaging-applikasjonene til en NIR-II fluorescensmolekylær sonde, HLY1, med et D-A-D (donor-acceptor-donor) skjelett. HLY1 viste gode optiske egenskaper og biokompatibilitet. Videre ble NIR-II vaskulær og tumoravbildning hos mus utført ved hjelp av en NIR-II optikkavbildningsenhet. Sanntids høyoppløselige NIR-II fluorescensbilder ble samlet inn for å veilede påvisning av svulster og vaskulære sykdommer. Fra sondeforberedelse til datainnsamling forbedres bildekvaliteten kraftig, og autentisiteten til NIR-II molekylære sonder for dataregistrering i intravital avbildning sikres.
Introduction
Fluorescensavbildning er det mest brukte molekylære bildebehandlingsverktøyet i grunnforskning, og brukes også ofte til å veilede kirurgisk tumorreseksjon i klinikker1. Det essensielle prinsippet om fluorescensavbildning er å bruke et kamera for å motta fluorescens som sendes ut av en laser etter bestråling av prøver (vev, organer, etc.) 2. Prosessen er fullført i løpet av få millisekunder3. Fluorescensavbildningsbølgelengdene kan deles inn i ultrafiolett (200-400 nm), synlig region (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 molekylene som hemoglobin, melanin, deoksyhemoglobin og bilirubin i biologisk vev har sterk absorpsjon og en spredningseffekt på lyset i synlige områder, blir lysets penetrasjon og følsomhet sterkt redusert, og fluorescensavbildningen i synlige lysbølgelengder påvirkes negativt 7,8,9.
NIR-II fluorescensavbildning har lav fotonabsorpsjon og spredning, høy bildehastighet og høy bildekontrast (eller følsomhet)10,11. Etter hvert som fluorescensbølgelengden øker, reduseres absorpsjonen og spredningen av fluorescens i biologisk vev gradvis, og autofluorescensen i NIR-II-regionen er ekstremt lav12. Dermed øker NIR-II-vinduet signifikant penetrasjonsdybden til vev og oppnår en høyere oppløsning og signal-støy-forhold13,14,15. NIR-II-vinduet kan videre deles inn i NIR-IIa (1300-1400 nm) og NIR-lIb (1500-1700 nm) vinduer16. Hittil har flere milepæl NIR-II-materialer blitt rapportert, inkludert uorganisk materiale enkeltveggede karbonnanorør, sjeldne jordartnanopartikler, kvanteprikker og halvlederpolymernanopartikler av organisk materiale, småmolekylære fargestoffer, aggregeringsinduserte selvlysende materialer, etc. 1,17,18,19,20,21,22. Uorganiske nanomaterialer akkumuleres lett i leveren, milten osv., og har potensiell langvarig biotoksisitet23. Organisk småmolekylfluorofor har fordelene med rask metabolisme, lav toksisitet, enkel modifikasjon og en klar struktur, som er den mest lovende sonden for klinisk bruk24.
NIR-II optikkavbildningssystem er også en kritisk komponent i fluorescens bioimaging fordi det effektivt kan samle NIR-II fluorescenssignaler fra NIR-II-sonden, og dermed gjengi presise funksjonelle, anatomiske og molekylære bilder25,26. NIR-II bildebehandlingssystemet består hovedsakelig av kortbølge infrarøde kameraer, langpassfiltre (LP), lasere og dataprosessorer. In vivo NIR-II fluorescerende avbildning regnes som en av de mest gjennomførbare bildebehandlingsmetodene for å belyse mekanismene for sykdommer og livets natur27,28,29. NIR-II bildebehandlingsteknologi har blitt mye brukt i biomedisinske felt som kreftcelledeteksjon, dynamisk bildebehandling, in vivo målrettet sporing og målrettet terapi, spesielt innen onkologisk forskning30,31. Men med tanke på de høye tekniske kravene til NIR-II bildebehandlingsteknologi på bildeprober og instrumenter, pusler og begrenser den også den praktiske bruken av forskere på ulike felt. Derfor blir utarbeidelsen av NIR-II bildeprober og anvendelsene av NIR-II-avbildning introdusert i detalj i denne artikkelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
NIR-I fluorescerende avbildning kan til en viss grad brukes til tumor- og vaskulær avbildning, men på grunn av den begrensede maksimale utslippsbølgelengden til NIR-I-fluoroforer (<900 nm), resulterer det i dårlig vevspenetrasjon og tumorsignalbakgrunnsforhold33,34. Dårlig og lav bildeoppløsning kan føre til avvik mellom utfallet av tilbakemeldingsbehandlingen og den faktiske terapeutiske effekten. I tillegg har de fleste NIR-I-fluoroforer dårlig optisk s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble delvis støttet av tilskudd fra NSFC (82273796, 82111530209), Special Funds for Guiding Local Science and Technology Development of Central Government (XZ202202YD0021C, XZ202102YD0033C, XZ202001YD0028C), Hubei Province Scientific and Technical Innovation Key Project (2020BAB058), de grunnleggende forskningsfondene for de sentrale universitetene og Tibet autonome region COVID-19 forebyggings- og kontrollprogrammer for vitenskap og teknologiutvikling.
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).
