新技术可实现更清晰的生物成像

用短波荧光成像（右）和近红外荧光成像（左）成像的血管的比较。两种图像都依赖一种称为ICG的荧光染料，但是通过短波荧光成像可以更清晰地看到血管。由研究人员礼貌

荧光成像被广泛用于可视化生物组织，例如眼后，可以检测到黄斑变性的迹象。它也常用于重建手术期间的血管成像，使外科医生可以确保血管正确连接。

对于这些程序以及目前在临床试验中的其他程序（例如对肿瘤进行成像），研究人员使用被称为近红外（NIR）的一部分光谱-700至900纳米，正好超出人眼所能探测到的范围。在该波长发出荧光的染料被施用到身体或组织，然后使用专用的相机进行成像。研究人员表明，波长大于1,000纳米的光（称为短波红外（SWIR））比NIR可以提供更清晰的图像，但是没有FDA批准的在SWIR范围内具有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朝着广泛提供SWIR成像迈出了重要的一步。他们已经表明，目前已用于近红外成像的FDA批准的可商购染料也非常适合短波红外成像。

“我们发现，这种染料自1959年以来就被批准使用，它实际上是我们目前所知的短波红外成像中最好的，最亮的荧光团，”莱斯特·沃尔夫（Lester Wolf）教授Moungi Bawendi说。麻省理工学院的化学。“现在，临床医生可以开始尝试将短波成像用于他们的应用，因为他们已经拥有一种批准用于人类的荧光团。”

用能够检测短波红外光的照相机对这种染料进行成像，可以使医生和研究人员获得更好的血管和其他人体组织图像，以进行诊断和研究。

Bawendi和前MIT研究科学家Oliver Bruns是该研究的资深作者，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杰西卡·卡尔（Jessica Carr）和丹尼尔·弗兰克（Daniel Franke）。

穿越迷雾

研究人员在这项研究中使用的染料，称为吲哚菁绿（ICG），在800纳米左右发出最强的荧光，其落在近红外范围内。当注射到体内时，它会在血液中传播，因此非常适合血管造影术（可视化流经血管的血液）。一些机器人辅助的手术系统已经结合了NIR荧光成像，以帮助可视化血管和其他解剖特征。

MIT小组偶然发现了ICG在SWIR成像方面的用处。作为另一篇论文的对照实验的一部分，他们在短波红外条件下测试了量子点的荧光输出与ICG的荧光输出。他们期望ICG没有输出，但惊讶地发现它实际上产生了非常强烈的信号。

Bawendi的实验室和其他研究人员对开发用于SWIR成像的荧光团很感兴趣，因为SWIR比NIR具有更好的对比度和清晰度。波长较短的光易于从撞击的物体上的瑕疵中散射出来，但是随着波长变长，散射会大大减少。

“在近红外中，您在组织中看到的许多功能看起来都是模糊的，一旦进入短波红外，图像就会清晰起来，一切都变得清晰，” Bruns说。

研究人员说，短波红外也可以更深入地穿透组织，尽管精确地计算出一个复杂的过程要走多远，因为它取决于被观察结构的尺寸和显微镜的视场。在这项新研究中，研究人员能够使用常规荧光显微镜看到进入组织的数百微米。通常，只有使用双光子显微镜才能达到该深度，这是一种更为复杂和昂贵的成像方法。

“我们发现短波红外对在大背景之上的小物体成像尤其有用，因此，当您要对小血管或毛细血管进行血管造影时，短波红外比在短波红外中要容易得多。近红外。”弗兰克说。

强烈的信号

在他们的研究中，研究人员进一步研究了ICG，并显示它比目前正在开发的其他SWIR染料发出更强的信号。ICG的先前研究集中于其发射约800纳米的光，在该处发出最亮的荧光，因此没有人观察到该染料在更长的波长下也能产生强信号。尽管ICG不能在短波红外范围内有效地发出荧光，但它吸收的光是如此之多，以至于即使只有一小部分的荧光发出，其信号也比其他SWIR染料产生的信号要亮。

研究人员还发现ICG足够明亮，可以快速生成图像，这对于捕获运动非常重要。

卡尔说：“如果信号强度不足，则会减慢拍摄图像所需的时间，因此您无法将其用于成像运动，例如血液流动或心脏跳动。”

研究人员还测试了另一种在近红外下起作用的染料。这种染料称为IRDye 800CW，与ICG相似，可以附着在靶向蛋白质的抗体上，例如在肿瘤上发现的蛋白质。他们发现IRDye 800CW在短波红外光下也发出明亮的荧光，认为不如ICG明亮，并表明他们可以用它来成像小鼠脑中的癌性肿瘤。

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，这些相机的价格都高得惊人，但在过去几年中价格一直在下降。

该研究小组现在正在进一步调查为何ICG在短波红外成像中表现如此出色，并试图确定其最佳波长，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，甚至可能效果更好。

该研究是由美国国立卫生研究院通过激光生物医学研究中心资助的；麻省理工学院通过士兵纳米技术研究所；国家科学基金会；和能源部科学办公室。

出版物：Jessica A. Carr等人，“经临床认可的近红外染料吲哚菁绿的短波红外荧光成像”，PNAS，2018年； doi：10.1073 / pnas.1718917115