采用新型荧光染料能使生物成像更清晰

2018-05-04 09:02:35 100

采用新型荧光染料能使生物成像更清晰

目前,荧光成像不仅仅应用在科学研究,也广泛地应用于视觉化生物组织,如眼睛的背部,那里可以检测到黄斑变性的迹象。这也是常用的图像血管重建手术,使外科医生能够确保血管连接正确。近日,麻省理工学院和马萨诸塞州总医院的一组研究人员现在已经朝着广泛使用SWIR图像迈出了重要的一步。现将麻省理工学院和马萨诸塞州总医院的一组研究人员主要研究成果介绍如下:

 

目前正在进行临床试验的其他方法,例如肿瘤成像,研究人员使用了一部分称为近红外(NIR)的光谱——波长700至900纳米——超出了人眼可以探测到的范围。一种杂这种波长下发出荧光的染料被注射到身体或组织上,然后用专门的照相机进行成像。研究人员发现,波长大于1000纳米的光,即所谓的短波红外(SWIR),比近红外成像(NIR)提供更清晰的图像,但在SWIR范围内,还没有FDA批准的峰值发射的荧光染料。麻省理工学院和马萨诸塞州总医院的一组研究人员现在已经朝着广泛使用SWIR图像迈出了重要的一步。他们已经证明,目前用于近红外成像的FDA批准的商业染料对短波红外成像也有很好的效果。麻省理工学院Lester Wolf 化学教授Moungi Bawendi说:“我们发现,这种染料自1959年就被批准了,是目前我们所知的用于短波红外成像的最出色、最亮的荧光体。”“现在临床医生可以在他们的应用中开始尝试短波成像了,因为他们已经有了一种被批准用于人类的荧光剂。”用能够探测短波红外光的照相机成像这种染料,可以使医生和研究人员获得更好的血管和其他身体组织的图像,以供诊断和研究。

 

Bawendi和前麻省理工学院研究科学家Oliver Bruns是这项研究的高级作者,该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。该论文的主要作者是麻省理工学院的研究生Jessica Carr和Daniel Franke。研究人员在这项研究中使用的染料吲哚菁绿(ICG),荧光强度最高达800纳米,接近红外线的范围。当被注射入体内时,它通过血流传播,使之成为血管造影(血流在血管中的可视化)的理想选择。一些机器人辅助的手术系统采用了近红外荧光成像技术,以帮助可视化血管和其他解剖特征。麻省理工学院的研究小组发现ICG对于SWIR成像的作用有点意外。作为另一篇论文的对照实验的一部分,他们测试了短波红外中量子点的荧光输出与ICG的荧光输出之间的关系。他们预计ICG不会有任何输出,但惊奇地发现,它实际上产生了一个非常强烈的信号。Bawendi的实验室和其他研究人员一直对开发用于SWIR成像的荧光剂感兴趣,因为SWIR比NIR提供更好的对比度和清晰度。波长较短的光倾向于分散掉它撞击的物体中的缺陷,但是随着波长变长,散射会大大减少。

 

“在近红外波段,你在组织中看到的许多特征看起来可能是模糊不清的,一旦你进入短波红外,图像就会清晰起来,一切都变得清晰,”Bruns 说。研究人员说,短波红外也能穿透到组织深处,尽管精确计算出这是一个复杂的过程,因为这取决于所观察到的结构的大小和显微镜的视角。在这项新的研究中,研究人员能够用普通荧光显微镜看到几百微米的组织。通常,这一深度只能用双光子显微镜才能达到,这是一种更为复杂和昂贵的成像方式。“我们发现,短波红外对成像大背景上方的小物体特别有用,所以当你想对小血管或毛细血管进行血管造影时,短波红外比近红外要容易得多,”Franke 说。

 

在他们的研究中,研究人员进一步探索了ICG,发现它比目前正在开发的其他SWIR染料发出了更强的信号。此前对ICG的研究主要集中在其发射波长约为800纳米的发光材料上,因此没有人观察到这种染料在更长的波长下也会产生强烈的信号。虽然在短波红外波段不能有效地发出荧光,但ICG吸收了太多的光,因此,即使是很小一部分的光也会被发射为荧光光,其信号也会比其他SWIR染料产生的光更亮。

 荧光染料能使生物成像更清晰

研究人员还发现,ICG足够亮,能够快速生成图像,这对于捕捉运动非常重要。“如果你没有足够强的信号,它就会减慢拍摄图像所需的时间,所以你就不能用它来进行像血液流动或心脏跳动这样的成像运动,”Carr说。研究人员还测试了另一种在近红外光下工作的染料。这种名为IRDye800CW的染料类似于ICG,可以附着在抗体上,靶向蛋白质,比如肿瘤上的蛋白质。他们发现IRDye800CW在短波红外光下也发出明亮的荧光,虽然它不如ICG亮,他们还发现他们可以利用它在老鼠的大脑中生成一个癌症肿瘤成像。为了进行短波红外成像,研究实验室和医院将需要从现在用于近红外成像的硅相机切换到砷化铟镓(InGaAs)相机。直到最近,这些相机的价格一直高得令人望而却步,但在过去几年里,价格一直在下降。该研究团队目前正在进一步研究ICG在短波红外成像方面为何如此有效,并正在努力确定最佳波长,以便使用。他们希望,这将有助于他们确定此类成像的最佳应用。他们还与其他实验室合作,开发类似于ICG的染料,甚至可能是更好的染料。