本文要點(diǎn)：本論文中，研究人員利用單壁碳納米管在1.3-1.4 µm (NIR-IIa)固有發(fā)射，*在不開顱的情況下，實(shí)現(xiàn)腦穿透深度>2 mm，空間分辨率達(dá)10 µm的無創(chuàng)性腦血管成像；同時(shí)以每秒∼5.3幀的成像速率動態(tài)成功記錄腦血管中的血液灌注，并實(shí)時(shí)監(jiān)測腦卒中模型小鼠的血液動力學(xué)分布。

大腦的無損成像對于研究其復(fù)雜的功能及相關(guān)疾病具有重要作用。與傳統(tǒng)的X光、磁共振等方法相比，光學(xué)成像具有掃描時(shí)間短、空間分辨率高、無離子輻射、操作簡便等優(yōu)勢備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的可見光及近紅外一區(qū) (NIR-I, 400-900 nm)熒光成像常常需借助于開顱、打骨窗及磨顱骨等手術(shù)，這將對腦組織及腦血管造成損傷。近紅外二區(qū)生物成像窗口(1.0 -1.7 µm, NIR-II)減少了組織的光子散射、吸收和自熒光現(xiàn)象, 提供更高的信噪比和更深的組織穿透性，在生物領(lǐng)域中應(yīng)用備受青睞。美國斯坦福大學(xué)戴宏杰教授團(tuán)隊(duì)利用單壁碳納米管(SWNT) 在1.3-1.4 µm (NIR-IIa)固有發(fā)射，*在不開顱的情況下，實(shí)現(xiàn)腦穿透深度>2 mm，空間分辨率達(dá)10 µm的無創(chuàng)性腦血管成像。

首先，研究人員測試了SWNT-IRDye800共軛物在808 nm激光激發(fā)下的發(fā)射譜圖(圖1a)。其中，IRDye800的發(fā)射波長位于NIR-I窗口(800–900 nm), 而SWNTs的發(fā)射波長位于NIR-II窗口(1.0-1.7 μm)。同時(shí)，研究人員利用1 wt% 脂肪乳劑來模擬生物體組織，將充滿SWNT–IRDye800溶液的毛細(xì)管浸入其中，當(dāng)浸入深度達(dá)1cm時(shí)，僅有NIR-IIa (1.3 -1.4 μm)成像窗口可見尖銳的毛細(xì)管邊緣(圖1b)，表明NIR IIa窗口具有較低的光散射。為了進(jìn)一步闡明脂肪乳劑成像的波長依賴性，研究人員測定了1 wt% 脂肪乳劑的散射系數(shù)與波長關(guān)系。結(jié)果表明，光子散射系數(shù)與波長成反比(圖1c)。NIR-IIa 窗口由于避免了短波光子(<1.3 μm) 散射引起的背景信號以及水分子干擾信號(>1.4 μm)，從而大大改善成像效果。

圖1 a、SWNT-IRDye800熒光發(fā)射光譜 (808 nm)。b、 SWNT-IRDye800溶液充滿毛細(xì)管浸入1wt% Intralipid中1mm (上)和10mm (下)的NIR熒光圖像。c、1wt% Intralipid在水中的消光光譜(黑色曲線)和散射光譜(紅色曲線)。

其次，研究人員利用SWNT–IRDye800分別在NIR-I、NIR-II和NIR-IIa成像窗口進(jìn)行了活體小鼠腦成像對比。與NIR-I窗口成像的模糊血管相比 (圖2b)，檢測波長越長，圖像越清晰(圖2c)，尤其是NIR-IIa (1.3 -1.4 μm) (圖2d)。研究人員通過測定小鼠頭皮和顱骨的消光光譜進(jìn)一步解釋小鼠大腦熒光成像的波長依賴性 (圖2e)。在NIR-IIa波段內(nèi)，頭皮及顱骨的光散射系數(shù)低于傳統(tǒng)NIR-I窗口 (圖2f)，同時(shí)避免了頭皮及水分子振動吸收峰干擾 (> ∼1.4μm)，從而使得顱骨下方的皮質(zhì)血管成像得到顯著改善 (圖2d和2b)。

圖2、SWNT-IRDye800在不同近紅外成像窗口的活體小鼠腦成像。a，去除毛發(fā)的C57Bl/6小鼠腦部。b–d，同一小鼠腦部在NIR-I、NIR-II和NIR-IIa區(qū)域的熒光圖像。d，大腦下靜脈、上矢狀竇和橫竇分別標(biāo)記為1、2和3。e，頭皮(紅色)和頭骨(藍(lán)色)的消光光譜以及吸水光譜(黑色)。f，頭皮(紅色)、顱骨(藍(lán)色)和腦組織(黑色)的散射系數(shù)μs′與波長作圖。

接下來，研究人員對小鼠腦血管進(jìn)行高倍顯微成像。為了優(yōu)化單位質(zhì)量注入的納米管的熒光信號，研究人員將納米管中熒光發(fā)射在1.3–1.4 μm波段的半導(dǎo)體納米管分離出來，用于小鼠腦成像(圖3c)。首先，研究人員對小鼠整個(gè)頭部進(jìn)行成像(圖3d)，放大其左半球(圖3e)，并在上矢狀竇皮質(zhì)血管分支附近進(jìn)行顯微成像。頭皮下方2.6 mm深度處NIR IIa 窗口顯微圖像揭示，許多微小的毛細(xì)血管從較大的腦血管分支出來（圖3f）。此外，研究人員通過測定離體的頭皮、顱骨和腦膜總厚度，推測出2.6 mm深度的毛細(xì)血管在腦組織內(nèi)的深度為∼1.3 mm，實(shí)現(xiàn)了迄今為止報(bào)道的分辨率的腦毛細(xì)血管非侵入性熒光成像（圖3h-k）。

圖3、小鼠腦血管NIR IIa高倍顯微熒光成像。a、立體定向顯微鏡成像裝置。紅色激光用于校準(zhǔn)并顯示光束位置。b、顯示NIR IIa熒光穿透腦組織、顱骨和頭皮的示意圖。c、 半導(dǎo)體納米管在水溶液中的發(fā)射光譜。1.3–1.4 μm NIR IIa區(qū)域?yàn)榧t色。d、低倍腦血管圖像，視野為25 mm×20 mm。e、d中腦血管圖像放大到左大腦半球，視野為8 mm×6.4 mm。f、用顯微鏡物鏡拍攝同一小鼠頭部的腦血管圖像，視野為1.7 mm×1.4 mm。這些病灶內(nèi)血管特征的深度為2.6 mm。g、放大倍率較高的物鏡拍攝的f子區(qū)域的放大圖像，視野為0.80 mm×0.64 mm。注：沿黃色虛線的橫截面強(qiáng)度分布（黑色）和高斯擬合曲線（紅色）。h–k，在另一只小鼠（h，j）上拍攝的另外兩張視野為0.80 mm×0.64 mm的高分辨率腦血管圖像及其沿黃色虛線（i，k）的橫截面熒光強(qiáng)度分布（黑色）和高斯擬合曲線（紅色）。

后，研究人員對正常小鼠與左腦中風(fēng)小鼠(MCAO) 進(jìn)行了腦血流灌注的動態(tài)NIR-IIa成像；并根據(jù)血流動力學(xué)差異來區(qū)分動脈血管和靜脈血管。與正常小鼠(圖4a-c)相比，MCAO小鼠(圖4g-i)右半球顯示出與正常小鼠非常相似的血流，而左半球卻顯示出明顯的血流延遲。MCAO小鼠的主成分分析(PCA)顯示，右大腦半球的靜脈血管網(wǎng)(藍(lán)色) 較左大腦半球的靜脈血管網(wǎng)(藍(lán)色)更為豐富，且動脈血管(紅色)僅在完整的右大腦半球顯示(圖4j-l)。進(jìn)一步對腦血流灌注進(jìn)行量化發(fā)現(xiàn)，正常小鼠中，左右大腦半球中線性上升的熒光信號具有幾乎相同的斜率，表明相對灌注為∼1 (圖4m); 而在MCAO小鼠中，左半球的相對灌注僅為0.159 (圖4n)。與腦灌注不足的模型小鼠相比，MCAO組血液灌注顯著減少∼85% (圖4o)，利用熒光信號定量的方法與激光多普勒測量結(jié)果一致。因此，NIR-IIa動態(tài)熒光成像為血流測定提供一種新的方法。

圖4、小鼠腦血管的動態(tài)NIR IIa熒光成像。a–c，正常小鼠NIR IIa圖像。d–f，PCA重疊圖像顯示正常小鼠的動脈(紅色)和靜脈(藍(lán)色)血管。g–i，MCAO小鼠的NIR IIa圖像。j–l，PCA重疊圖像顯示MACO小鼠的動脈(紅色)和靜脈(藍(lán)色)血管。m、 n，正常小鼠(m)和MACO小鼠(n)左側(cè) (紅色)和右側(cè) (黑色)大腦半球的NIR-IIa信號隨時(shí)間的變化。o、采用NIR-II法(紅色)和激光多普勒血流頻譜(藍(lán)色)測定對照組(n=3)、MCAO組(n=4)和低血流灌注組(n=4)左大腦半球平均血流灌注。

參考文獻(xiàn)

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紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system 

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀

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 恒光智影

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       與基于可見光波長的傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，我們的技術(shù)側(cè)重于X射線、紫外、紅外、短波紅外、太赫茲范圍，可為腫瘤學(xué)、神經(jīng)學(xué)、心血管、藥代動力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，助力科技研發(fā)。

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