用于体内实时动态多重成像的NIR-II窗口中的荧光放大纳米晶体

实时动态光学成像系统在生命科学和生物医学工程中一直是受到广泛关注的研究热点。该成像系统在可以实时观测样本的基础之上，还具有高灵敏度、高时空分辨率等独特优势。特别是，实时动态多重成像系统对研究由复杂生物相互作用调节的病理、生理过程至关重要，如细胞介导的免疫反应、心血管疾病相关的血液动力学和神经元电路的潜在波动等。然而迄今为止，这些研究的实现主要依赖于多光子荧光显微镜和可见荧光探针(波段集中在400-700 nm)。

最近，NIR-II窗口成像技术在非侵入性生物成像方面取得了进展。由于光子散射和生物组织自发荧光会随着波长变长而逐渐减少，更深的穿透深度得以实现。目前，对NIR-II多重生物成像动态过程的观测主要方法都是对单一探测器进行多帧合成(更换滤波片)，但这种方法牺牲了多个信号的时间同步性。尽管NIR-II时间分选技术和脉冲交替激发方法可以改善时间分辨率，但在快速生物过程中，寿命分辨或激发切换仍然会导致荧光信号不可避免的损失。因此，实现非侵入性实时动态多重成像以有效可视化血液动力学和多细胞动力学仍是一个具有挑战性且未被充分探索的领域，尤其在体内生物成像方面。

文章介绍了一种新的策略，使用基于钕的立方相下移纳米颗粒来增强荧光(thulium-based cubic-phase downshifting nanoparticles)，并在 NIR-IIb 子窗口中探索了光学成像的潜力。同时，作者们开发了一种同步双通道成像系统，可以在各种生物环境下进行非侵入性实时动态多重成像。文章还介绍了该技术在小鼠模型中对脑血管血管运动活动和中性粒细胞行为的非侵入性实时动态多重成像的应用。

同步双通道成像系统的优势

同步双通道成像系统的优势在于可以实现高度的时空同步和准确性，从而实现非侵入性实时动态多重成像。这种系统可以同时捕获两个不同的成像信号，从而提高了成像的信息量和准确性。此外，该系统还可以在不同的生物环境下进行应用，包括研究免疫细胞、心血管疾病和神经元电路等方面。这些优势使得同步双通道成像系统成为一种有前途的生物成像技术。

同步双通道成像系统组成

概括来看，同步双通道成像系统由以下几部分组成：

1. 高分辨率成像设备：该系统包括一台高分辨率的成像设备，如多光子荧光显微镜或其他适用于NIR-IIb波段的成像设备。

2. 长通分光镜：为了实现双通道成像，系统中包括一个1,600nm的长通分光镜，用于将不同光谱的荧光信号分离成两个不同的光束。

3. 滤光片：每个通道可能配备了滤光片，以确保高通道单色性。

4. InGaAs探测器：系统使用来自Teledyne Princeton Instruments的NIRvana-640探测器来接收和检测NIR-IIb波段的荧光信号。

5. 荧光探针：研究中使用了α-TmNPs和α-ErNPs作为荧光探针，用于实现双通道成像。

图2：同步双通道成像系统简化示意图

同步双通道成像系统的应用领域有哪些

与波长更短的NIR-II区域(1000-1400 nm)相比，NIR-IIb(1500-1700 nm)子窗口在血管成像方面具有显著优势，特别是对于通过完整颅骨进行脑血管的非侵入式成像。在Tm-Ch(11.3-21.3)和Er-Ch(7.7-15.3)通道中，与Ho通道(1.1-1.3)相比，信号与背景的比率约为7-16倍更高。

图3：小鼠颅内血管NIR-IIb窗口(Tm通道、Er通道)与NIR-II更短波长窗口信号/背景比率

图4：小鼠全身血管成像NIR-IIb窗口(Tm通道、Er通道)与NIR-II更短波长窗口信号/背景比率

NIR-IIb区比NIR-II区的优势在哪里

同步双通道成像系统在生物成像领域有广泛的应用：

1. 免疫学研究：同步双通道成像系统可以用于观察和分析免疫细胞的行为，如单个细胞的迁移、相互作用和功能。

2. 心血管疾病研究：该系统可以用于实时观察和分析心血管系统的血流动力学，如血管收缩、扩张和血流速度的变化。

3. 神经科学研究：同步双通道成像系统可以用于研究神经元电路的活动和功能，如神经元的兴奋和抑制、突触传递和神经网络的活动。

4. 肿瘤研究：该系统可以用于观察和分析肿瘤的生长、转移和治疗反应，从而帮助研究人员了解肿瘤的发展机制和评估治疗效果。

5. 组织工程和再生医学：同步双通道成像系统可以用于研究和评估组织工程和再生医学领域的生物材料和细胞的生长、分化和功能。

这些应用领域只是同步双通道成像系统的一部分，随着技术的不断发展和创新，它在生物成像领域的应用前景将会更加广阔。

审核编辑 黄宇