在眾多影像技術(shù)中，活體熒光成像由于具有操作簡單、成像速度快、靈敏度高、無電離輻射等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，為更加深入地了解生物體的解剖結(jié)構(gòu)和生理活動(dòng)提供了新的工具，從而成為了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的成像技術(shù)之一。然而，活體熒光信號(hào)在生物體內(nèi)通常會(huì)受到光子和生物組織之間相互作用的影響，例如吸收、反射、散射和眾多生物分子的自發(fā)熒光等。

目前，熒光成像技術(shù)已成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的重要工具之一，但其易受到光的穿透能力有限、組織自體熒光干擾等因素的影響。與可見光和近紅外一區(qū)光相比，近紅外二區(qū)熒光成像具有更深的穿透深度、更高的成像分辨率和靈敏度、更低的背景噪音和更高的信噪比，因此在腦血管成像和重大腦疾病的成像診斷方面展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。

清華大學(xué)化學(xué)系張洪杰團(tuán)隊(duì)綜述了幾種不同的NIR-Ⅱ熒光探針的開發(fā)及其在大腦中的血管、腫瘤、炎性疾病和神經(jīng)退行性疾病的成像應(yīng)用研究，并探討了其在未來臨床轉(zhuǎn)化過程中會(huì)面臨的問題。

NIR-Ⅱ熒光探針
一、金納米簇
◆ 結(jié)構(gòu)與特性
由幾個(gè)到幾十個(gè)金原子組成，尺寸小于2nm，介于金納米顆粒與單個(gè)金原子之間，因量子尺寸效應(yīng)能級(jí)不連續(xù)，展現(xiàn)出NIR-Ⅱ熒光性質(zhì)。

◆ 研究實(shí)例
2017年，Zhou等觀察到Au₃₇NCs的激子局域化現(xiàn)象；Li等報(bào)道了Au₂₄、Au₂₅和Au₃₃NCs，Au₂₅中心多一個(gè)原子使其量子效率從1%提高到8%，Au₃₇最大發(fā)射波長紅移至1520nm，量子效率為0.1%，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可改變發(fā)射波長和量子效率。

福州大學(xué)楊黃浩教授采用環(huán)糊精（CD）為配體合成CD-Au@AuNCs（約 1.85nm），在808nm激發(fā)下發(fā)射1050nm光，構(gòu)建的Ab@CD-AuNCs實(shí)現(xiàn)了更高信噪比的NIR-Ⅱ成像診斷。

二、量子點(diǎn)
◆ 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)
半徑2-10nm的半導(dǎo)體納米晶，具有光譜范圍寬、光穩(wěn)定性強(qiáng)、量子產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，新型量子點(diǎn)采用低毒性元素或表面修飾可降低生物毒性。

◆ 相關(guān)研究
1998年，Bruchez和Chan等利用特異性標(biāo)記QDs實(shí)現(xiàn)可見光區(qū)域體外成像，為QDs進(jìn)入生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

2010年，Wang等合成10.2nm單分散Ag₂SQDs并報(bào)道其NIR-Ⅱ發(fā)光性能，Dai團(tuán)隊(duì)報(bào)道的6-PEG-Ag₂SQDs發(fā)射中心約1200nm，量子產(chǎn)率15.5%，可實(shí)時(shí)跟蹤小鼠體內(nèi)血液循環(huán)情況。

2013年，該團(tuán)隊(duì)合成3.4nmAg₂SeQDs，修飾后在水溶液中分散性良好，發(fā)射中心1300nm，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率成像；但 Ag₂EQDs中Ag⁺離子遷移率高導(dǎo)致晶體缺陷，光致發(fā)光強(qiáng)度下降，通過構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)可提高量子產(chǎn)率，如Ag₂Te@Ag₂SQDs發(fā)光強(qiáng)度提高約2.3倍，光致發(fā)光峰略微紅移，在小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。

三、稀土發(fā)光材料
◆ 組成與優(yōu)勢(shì)
由基質(zhì)、敏化劑和激活劑組成，具有Stokes位移大、量子產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，稀土元素中Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺和Tm³⁺可作敏化劑，Pr³⁺、Nd³⁺、Ho³⁺、Er³⁺和Tm³⁺可作激活劑。

◆ 研究進(jìn)展
2013年，Moghe研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道一系列核殼結(jié)構(gòu)，以NaYF₄:Yb, Ln³⁺（Ln³⁺=Er, Ho, Tm, Pr）為核，未摻雜NaYF₄為殼，實(shí)現(xiàn)不同波長NIR-Ⅱ熒光發(fā)射。

2019年，復(fù)旦大學(xué)張凡教授課題組以Tm³⁺為敏化劑合成NaYF₄:5%Tm³⁺, 50%Er³⁺@NaYF₄納米晶，可實(shí)現(xiàn)1208nm激發(fā)下1525nm波長發(fā)射，通過調(diào)節(jié)Tm³⁺含量實(shí)現(xiàn)下轉(zhuǎn)換發(fā)射。

除核殼結(jié)構(gòu)以外，還可采用核-多層殼的結(jié)構(gòu)，如NaErF₄@NaYbF₄@NaYF₄納米晶可實(shí)現(xiàn)高效NIR-Ⅱ發(fā)光。

2017年，戴宏杰教授團(tuán)隊(duì)通過摻雜元素提高發(fā)光強(qiáng)度，如將Er³⁺、Ce³⁺摻雜入NaYbF₄基質(zhì)構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)納米晶，Ce³⁺摻雜抑制Er³⁺上轉(zhuǎn)換過程，增強(qiáng)下轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度；后續(xù)構(gòu)建的NaYbF₄:2%Er, 2%Ce, 10%Zn@NaYF₄核殼結(jié)構(gòu)納米晶進(jìn)一步提高了下轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度。

四、有機(jī)熒光染料
◆ 結(jié)構(gòu)分類與特性
分為以苯并雙噻二唑（BBTD）為核的D-A-D結(jié)構(gòu)熒光團(tuán)和以聚次甲基為骨架的D-π-A結(jié)構(gòu)花菁類染料，具有結(jié)構(gòu)確定、分子量小、易代謝、低毒性等優(yōu)點(diǎn)。

◆ 研究成果
2020年，F(xiàn)ang等將硒原子和氨基引入BBTD構(gòu)建FM1210熒光團(tuán)，發(fā)射波長1210nm，封裝于脂質(zhì)體后實(shí)現(xiàn)高信噪比NIR-Ⅱ熒光成像。

2019年，復(fù)旦大學(xué)張凡教授課題組設(shè)計(jì)合成CX系列熒光團(tuán)，具有波長可調(diào)性和良好穩(wěn)定性，通過封裝構(gòu)建PN1100熒光探針，可檢測(cè)ONOO⁻。

有機(jī)染料存在聚集誘導(dǎo)熒光猝滅效應(yīng)，2001年唐本忠院士研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）現(xiàn)象，后設(shè)計(jì)構(gòu)建2TT-oC26B等AIE探針，發(fā)射波長有效紅移，將DSPE-PEG2000與2TT-oC26B自組裝制備的AIE納米顆粒實(shí)現(xiàn)了血管系統(tǒng)和腸道的 NIR-Ⅱ熒光成像。

Feng等采用F-127兩親性嵌段共聚物封裝AIE探針制備OTPA-BBT，發(fā)射波長峰值1020nm，量子產(chǎn)率13.6%，在小鼠和狨猴中實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)顱內(nèi)血管和胃腸的NIR-Ⅱ成像，且代謝途徑明確，無明顯毒性。

五、復(fù)合型NIR-Ⅱ熒光探針
◆ 復(fù)合提升性能原理
由基質(zhì)、敏化劑和激活劑組成，具有Stokes位移大、量子產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，稀土元素中Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺和Tm³⁺可作敏化劑，Pr³⁺、Nd³⁺、Ho³⁺、Er³⁺和 Tm³⁺可作激活劑。

◆ 研究實(shí)例
紐約州立大學(xué)Prasad教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道ICG敏化的NaYF₄:Yb³⁺, X³⁺@NaYbF₄@NaYF₄核殼殼結(jié)構(gòu)納米晶，ICG與Nd³⁺能量轉(zhuǎn)移提高納米晶發(fā)光強(qiáng)度，優(yōu)化ICG濃度后，在多個(gè)波長處發(fā)光強(qiáng)度顯著提高，穿透組織后可檢測(cè)信號(hào)，細(xì)胞毒性低，可作為潛在NIR-Ⅱ熒光成像探針。

福州大學(xué)楊黃浩教授研究團(tuán)隊(duì)以Ag₂SQDs為敏化劑構(gòu)建Ag₂S-NaYF₄:18%Yb³⁺, 2%Er³⁺納米晶，有效能量傳遞提高了吸收和能級(jí)躍遷，發(fā)射明顯增強(qiáng)，證明Ag₂SQDs敏化是提高RENPs發(fā)光效率的有效途徑。

蘇州大學(xué)高明遠(yuǎn)教授研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建BLQDs納米探針，無需外源光激發(fā)，熒光素酶與底物反應(yīng)能量傳遞至Ag₂SQDs誘導(dǎo)NIR-Ⅱ發(fā)射，生物成像信噪比提高2倍，在活體內(nèi)生物成像潛力大。

NIR-Ⅱ發(fā)光材料在大腦中的應(yīng)用
一、腦血管成像
Deng等開發(fā)的PAA-KSc₂F₇:Yb³⁺, Er³⁺納米棒用于無創(chuàng)性腦血管熒光成像，具有高量子效率、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，靜脈注射后可監(jiān)測(cè)大腦血管熒光強(qiáng)度變化，擬合得出血管寬度。

Li等合成的TBP-b-DFA有機(jī)熒光團(tuán)用于成像，絕對(duì)量子產(chǎn)率0.4%，發(fā)射波長可延伸至1400nm，可準(zhǔn)確可視化不同深度小鼠腦血管系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)腦血流量。

Liu等構(gòu)建的Au₂₅納米簇通過配體和金核電荷轉(zhuǎn)移發(fā)射NIR-Ⅱ 熒光，半胱氨酸可提高其量子效率，摻雜Cu或Hg可調(diào)節(jié)帶隙，無創(chuàng)顱內(nèi)血管熒光成像顯示其具有優(yōu)異藥代動(dòng)力學(xué)，可快速從腦血管清除，有望用于醫(yī)學(xué)診斷和體內(nèi)成像。

二、腦膠質(zhì)瘤成像
◆ 調(diào)控焦點(diǎn)軸向位置實(shí)現(xiàn)尺度漸變
Wang等開發(fā)的BF1-BF8熒光團(tuán)用于無創(chuàng)NIR-Ⅱ腦膠質(zhì)瘤熒光成像，BF1和BF6熒光團(tuán)可穿過血腦屏障，靜脈注射后能區(qū)分正常組織和腫瘤區(qū)域。

Ren等構(gòu)建的Er-DCNPs-Dye-BP-ANG用于聚焦超聲輔助的顱內(nèi)微小腫瘤診斷和手術(shù)切除，BP聚合物刷敏化和Ce³⁺摻雜增強(qiáng)發(fā)光，聚焦超聲打開血腦屏障協(xié)同靶向肽將其遞送至腫瘤區(qū)域，可精確描繪腫瘤邊緣、測(cè)量大小，信噪比約12.5，為手術(shù)導(dǎo)航奠定基礎(chǔ)。

Zhu等利用M2pep多肽修飾的Er-NPs定位腦膠質(zhì)瘤中M2型腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞評(píng)估藥物治療效果，具有優(yōu)異靶向和成像能力。

還有將熒光成像診斷和治療一體化的研究，如Qiao等構(gòu)建的BPNdDTK-cRGD用于NIR-Ⅱ熒光成像引導(dǎo)的X射線光動(dòng)力治療，可無創(chuàng)性原位腦膠質(zhì)瘤成像診斷，顯著抑制顱內(nèi)腫瘤生長Yin等構(gòu)建的P@GMT-R納米膠囊用于原位腦膠質(zhì)瘤NIR-Ⅱ熒光成像和MRI引導(dǎo)治療，具有良好成像能力和生物相容性；Zhang等構(gòu)建的ApoE-TBTP-Au實(shí)現(xiàn)原位腦膠質(zhì)瘤可視化和Au (Ⅰ) 誘導(dǎo)的鐵死亡治療，延長小鼠生存時(shí)間。

三、炎癥性腦疾病成像
Li等報(bào)道的V&A@Ag₂S納米探針由Ag₂SQDs、A1094 染料和VCAM1結(jié)合肽組成，可特異性響應(yīng)ONOO⁻，通過能量共振轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn) “off-on” 模式切換，降低背景熒光信號(hào)，提高信噪比，用于創(chuàng)傷性腦損傷早期診斷。

Chen等構(gòu)建的 Mn/QDSAC用于NIR-Ⅱ熒光成像引導(dǎo)的創(chuàng)傷性腦損傷治療，Mn以單原子形態(tài)分散于Ag₂TeQDs表面，提高熒光強(qiáng)度，具有ROS清除能力和抗炎作用，可監(jiān)測(cè)血腦屏障狀態(tài)，促進(jìn)其重建。

Huang等構(gòu)建的QDs&Fe²⁺@VVesicle可響應(yīng)ROS/RNS改變 Fe²⁺氧化態(tài)和囊泡融合裂變過程調(diào)控量子點(diǎn)猝滅水平，實(shí)現(xiàn)熒光 “off-on” 可逆切換，降低背景噪聲，提高檢測(cè)靈敏度，有望用于病毒性腦炎動(dòng)態(tài)可視化造影。

四、神經(jīng)退行性疾病成像
Li等構(gòu)建的Eth-BF熒光探針具有D-A-D結(jié)構(gòu)，發(fā)射光譜紅移至NIR-Ⅱ區(qū)，對(duì)環(huán)境粘度敏感，可特異性識(shí)別Aβ斑塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD小鼠高靈敏度和分辨率的NIR-Ⅱ熒光成像診斷。

Miao等構(gòu)建的DMP2熒光探針具有D-π-A結(jié)構(gòu)，對(duì)Aβ原纖維親和力優(yōu)異，結(jié)合后激活NIR-Ⅱ熒光發(fā)射，在厚肌肉組織下可檢測(cè)信號(hào)，體外血腦屏障模型實(shí)驗(yàn)顯示其通透性高，可實(shí)現(xiàn)AD模型小鼠腦內(nèi)Aβ斑塊特異性檢測(cè)，為無創(chuàng)性AD診斷提供潛在探針。

研究總結(jié)
基于NIR-Ⅱ熒光成像的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，研究者們致力于開發(fā)高質(zhì)量的NIR-Ⅱ熒光探針，并探索了其在可視化大腦生物過程中的應(yīng)用。主要聚焦于近些年來不同類型的NIR-Ⅱ熒光探針及其在腦成像應(yīng)用中的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了金納米簇、量子點(diǎn)、稀土發(fā)光納米材料、有機(jī)小分子和復(fù)合型的NIR-Ⅱ熒光探針，并總結(jié)了提升其發(fā)光強(qiáng)度的策略。同時(shí)，探討了這些NIR-Ⅱ熒光探針在腦血管、腦膠質(zhì)瘤、炎癥性腦疾病和神經(jīng)退行性疾病中成像診斷的應(yīng)用性。

研究催生創(chuàng)新成果，開發(fā)出多功能的NIR-Ⅱ熒光探針，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)成像，還可以同時(shí)進(jìn)行藥物遞送和治療效果監(jiān)測(cè)，更結(jié)合人工智能技術(shù)，對(duì)大量的NIR-Ⅱ熒光成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)疾病的自動(dòng)診斷和預(yù)測(cè)，為腦部疾病的研究和治療帶來新的突破和機(jī)遇。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于：薛東芝, 王櫻蕙, 張洪杰. 近紅外二區(qū)發(fā)光材料在腦成像中的研究進(jìn)展[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2023, 44(7): 1131.