超聲誘導發(fā)光成像技術(shù)在小動物深層腫瘤成像中的應用優(yōu)勢

來源：瑞孚迪生命科學

作者：Teresa

在生物醫(yī)學研究中，小動物光學成像技術(shù)是探索疾病機制、評估藥物效果的“眼睛”。其中，光學成像因高靈敏度、高特異性等優(yōu)勢被廣泛應用，但傳統(tǒng)光學成像常受限于組織穿透深度不夠、背景干擾大等問題，難以清晰捕捉深層組織的生物學過程。不過，近期發(fā)表在Nature子刊的兩篇文章，帶來了顛覆性的超聲誘導發(fā)光成像技術(shù)，為解決上述難題提供了全新解決方案，實現(xiàn)了高強度光學信號輸出的成像新方法，凸顯了小動物光學成像的特殊價值。

技術(shù)突破：讓“深不可測”變“一目了然”

圖1系統(tǒng)展示了用于超聲誘導發(fā)光成像的納米顆粒的構(gòu)建與篩選過程：通過納米沉淀法將15種發(fā)光分子（如TD、PFODBT、Ce6等）制備成水溶性納米顆粒，并建立了兩種超聲誘導光子采集的成像模型：延遲超聲誘導發(fā)光成像和實時超聲誘導發(fā)光成像。在延遲成像模式下，超聲換能器放置在溶液樣品下/中或動物組織表面，利用超聲偶聯(lián)凝膠激發(fā)，激發(fā)停止后立即將溶液樣品或動物轉(zhuǎn)移到成像暗箱中，使用CCD（電荷耦合器件）相機（來自IVIS Lumina XR成像系統(tǒng)）獲取圖像。在實時成像模式下，將超聲換能器置于成像暗箱內(nèi)，在暗箱內(nèi)對樣品進行超聲波激發(fā)。無需轉(zhuǎn)移樣品即可同時獲得超聲誘導發(fā)光圖像。

結(jié)果顯示三蒽衍生物納米顆粒（TD NPs）在延遲超聲誘導發(fā)光成像中表現(xiàn)出最高的發(fā)光強度，比水高2389倍。TD NPs通過壓電效應產(chǎn)生極化電荷，隨后通過壓電催化產(chǎn)生大量ROS，生成的ROS與TD分子進一步反應，通過化學發(fā)光過程發(fā)射光子。與傳統(tǒng)熒光成像相比，超聲誘導發(fā)光成像由于超聲激發(fā)和光信號發(fā)射之間沒有串擾，因此靈敏度和信噪比都有所提高。

圖1. 發(fā)光納米粒子的篩選

隨后研究人員對三蒽衍生物基納米顆粒（TD NPs）超聲誘導發(fā)光特性進行了詳細的表征。實驗結(jié)果表明TD NPs在30 kHz、40 kHz、50 kHz、100 kHz等不同超聲頻率激發(fā)下，均呈現(xiàn)相似的發(fā)光光譜，峰值集中于625-650 nm，且與自身熒光光譜一致，表明超聲激發(fā)頻率不改變其發(fā)光光譜特征（圖2a）；在延遲成像模式下，2.5 μg/mL、200 μL的TD NPs隨超聲激發(fā)時間（5-120s）延長，發(fā)光強度持續(xù)上升并在90 s達最大值，隨超聲激發(fā)功率密度（4.5-9.2 W/cm²）升高而逐漸增強，且其濃度與發(fā)光強度呈良好正線性關(guān)系（R²=0.990），該趨勢在實時成像模式下同樣存在，即功率密度升高、濃度增加均會使實時成像的發(fā)光強度上升；TD NPs的超聲誘導發(fā)光信號隨著組織覆蓋厚度增加，信號雖有衰減，但仍能在2.2cm組織厚度下獲得有效信號，且在各組織厚度下，其超聲誘導發(fā)光成像的信噪比均顯著高于熒光成像（圖2e）。這些特性共同體現(xiàn)了TD NPs在超聲誘導發(fā)光成像中的潛力。

圖2. TD NPs的超聲誘導發(fā)光成像性表征

實戰(zhàn)案例：光學成像如何賦能腫瘤成像前沿研究？

在詳細表征TD NPs的超聲誘導發(fā)光性能后，研究人員設計了不同的動物模型，探究TD NPs在活體動物水平的成像能力，實驗結(jié)果如圖3所示。（1）活體小鼠組織穿透成像驗證：將濃度為20 μg/mL、體積200 μL的TD NPs溶液置于小鼠腹部下方1.6 cm處，對TD NPs進行超聲預激發(fā)后，分別采集超聲誘導發(fā)光圖像與熒光圖像。結(jié)果顯示，超聲誘導發(fā)光從小鼠腹部上方可觀測到強烈信號，而熒光信號幾乎與背景無法區(qū)分，直觀證明了超聲誘導發(fā)光在活體組織中具備更優(yōu)的穿透能力，能有效避免組織對信號的干擾（圖3a）。（2）皮下CT-26腫瘤成像：構(gòu)建皮下CT-26腫瘤小鼠模型，向腫瘤內(nèi)注射TD NPs，對腫瘤區(qū)域進行超聲預激發(fā)后進行成像。圖3b中，超聲誘導發(fā)光圖像清晰顯示腫瘤區(qū)域有強烈信號，而小鼠其他部位幾乎無背景信號；圖3c對兩種成像方式的信噪比量化分析表明，超聲誘導發(fā)光的信噪比約為206，是熒光成像的11.7倍（P=2×10⁻⁴），證實該技術(shù)在皮下腫瘤成像中具有高特異性和高信噪比，能精準定位腫瘤位置。（3）原位腦膠質(zhì)瘤成像：建立小鼠原位膠質(zhì)瘤模型，經(jīng)靜脈注射TD NPs后，在不同時間點對小鼠頭部區(qū)域進行超聲預激發(fā)（1 MHz、1.5 W/cm²，15 s）并成像。結(jié)果顯示，注射后不同時間點，膠質(zhì)瘤小鼠頭部區(qū)域的超聲誘導發(fā)光信號呈動態(tài)增強趨勢，表明TD NPs可通過血液循環(huán)到達腦部深層腫瘤部位并被超聲激活發(fā)光，驗證了該技術(shù)對深層原位腫瘤的成像可行性，如圖3d所示。

圖3. 體內(nèi)延遲超聲誘導發(fā)光成像

這項超聲誘導發(fā)光分子成像技術(shù)，突破了傳統(tǒng)光學成像的局限，以更深的穿透深度、更高的信號質(zhì)量、更靈活的成像模式和良好的生物適用性，為小動物光學成像領(lǐng)域開辟了新方向。在實際應用中，該技術(shù)展現(xiàn)出強大的潛力。它能清晰成像皮下腫瘤（圖3b-c）、原位腫瘤（圖3d-e），還能精準定位淋巴結(jié)（圖3g-h）、篩查腹膜轉(zhuǎn)移腫瘤（圖3f）。

隨后，研究人員繼續(xù)拓展了超聲誘導發(fā)光成像的應用，基于共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）機制，將TD納米顆粒（供體）與BHQ-3或IR780（受體）通過酶切肽段（如Granzyme B、MMP-2、Caspase-3識別序列）或ROS響應結(jié)構(gòu)連接，構(gòu)建出“信號關(guān)閉”狀態(tài)的探針。當目標酶或ONOO⁻存在時，肽段被切斷或染料結(jié)構(gòu)被破壞，F(xiàn)RET效應消失，TD納米顆粒在超聲激發(fā)下恢復強發(fā)光信號，實現(xiàn)高選擇性、高靈敏度的“信號開啟”檢測。實驗結(jié)果顯示，TD-Grz-BHQ探針對Granzyme B的檢測限低至亞微克級別，且對其它酶無交叉反應；TD@IR780探針對ONOO⁻響應靈敏，呈良好線性關(guān)系，驗證了該類探針在免疫應答監(jiān)測與氧化應激成像中的強大潛力，如圖4所示。

圖4.用于酶和 ONOO−成像的可激活超聲誘導發(fā)光探針

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