Sistema de imágenes microscópicas de enfoque común de fluorescencia de infrarrojo cercano

En áreas de investigación científica como la biomedicina, la ciencia de materiales, los dispositivos optoelectrónicos y la ingeniería biomédica, las muestras objetivo (como los tejidos profundos de los animales pequeños vivos,NIR-IIPuntos cuánticos/.Microestructura de PerovskitaLas células marcadas por sondas fluorescentes dirigidas biológicamente a menudo muestran una evolución dinámica y múltiples estructuras.Nivel yCaracterísticas complejas sensibles al medio ambiente, sus propiedades centrales (como la profundidad de la imagen del tejido, la uniformidad de la luminiscencia del material, la eficiencia de la sonda) y la distribución espacial, la dinámica temporal y la luz-La interacción material está estrechamente vinculada. La tecnología tradicional de imagen única solo puede obtener información de una sola dimensión, lo que dificulta el avance. "Limitaciones de imágenes poco profundas" y "Interferencia de fondo alto" El doble cuello de botella no se puede analizar completamente.NIR-IIHay necesidades de imágenes profundas y de alta resolución en la banda. Por su parte, el sistema de imágenes microscópicas confocales fluorescentes de segunda región del infrarrojo cercano se integraNIR-IILa ventaja de banda, la capacidad de resolución espacial de enfoque común y la función de monitoreo dinámico in situ han logrado el análisis de imágenes cuadradas de muestras, desde la microestructura submicron hasta la estructura profunda de varios milímetros, que se ha convertido en un avance.NIR-IILa tecnología central del cuello de botella de la investigación de sistemas complejos relacionados.

Cualquier noNIR-IITanto la tecnología de imagen de banda como el modo no confocal tienen limitaciones inherentes a la capacidad de imagen profunda y la resolución espacial, que solo pueden reflejar algunos atributos de la muestra y no pueden capturarse completamente.NIR-IINecesidades básicas de investigación en el campo. Por ejemplo, aunque la imagen de enfoque común de la luz visible tiene una resolución espacial submicron, debido a la fuerte dispersión y absorción de la luz visible por parte de los tejidos biológicos, la profundidad de penetración es de solo cientos de micras, lo que dificulta cubrir tejidos profundos como el cerebro y el hígado de los ratones;NIR-IImagen fluorescente..700-900 nmAunque la profundidad de penetración ha aumentado ligeramente, todavía está limitada porAbsorción panfrecuencia de tejidoEl ruido de fondo es significativo y no puede distinguir claramente entre el límite tumoral y el tejido normal; Campo ancho ordinarioNIR-IIAunque la imagen se puede utilizar "Ventana bioóptica" ()1000-1700 nmLograr una penetración de varios milímetros, pero carece de la capacidad de tomografía espacial de enfoque común, que no puede localizar la estructura submicron en el tejido profundo (como las ramas capilares); Aunque la imagen de fluorescencia instantánea puede capturar la dinámica de la luminiscencia, no puede asociarse.NIR-IIDistribución espacial profunda de algunas bandas - - Esto requiere la ayuda de un sistema de imágenes microscópicas de enfoque común de fluorescencia de dos regiones de infrarrojo cercano, a través de ",NIR-IIBaja dispersión de banda- sí.Coque de polimerización de alta resolución " Las ventajas sinérgicas de Z mejoran la complementariedad con otras tecnologías para llenar los vacíos clave de la imagen profunda y de alta resolución.(referencias:Schmidt et al.,Procedimientos Nat Rev Cebadores 4, 23 (2024).(...)

Imagen1. Imagen fluorescente de la segunda región del infrarrojo cercano

En el campo de la detección de información óptica, el sistema de imágenes microscópicas de enfoque común de fluorescencia de dos regiones del infrarrojo cercano a menudo integra funciones de regulación ambiental in situ (temperatura, humedad, atmósfera de gas, adaptación a muestras biológicas vivas) y Asociación de datos multimodal (adquisición simultánea de intensidad de fluorescencia, imágenes tomográficas espaciales, señales luminosas resueltas en el tiempo), a través de aperturas numéricas altasNIR-IILa lente especial se centra en la luminiscencia y filtra la luz Miscelánea de fondo con agujeros de aguja para garantizar un espacio unificado.-La adquisición simultánea de datos de distribución de fluorescencia tridimensional y evolución dinámica de muestras bajo el sistema de coordenadas de profundidad evita efectivamente la detección tradicional paso a paso. "Dislocación estructural causada por el desplazamiento de la muestra", "enfriamiento fluorescente causado por cambios ambientales" Y otras preguntas. Debido a la respuesta de los tejidos biológicosNIR-IILa dispersión y absorción de la luz es solo visible.1 / 10 - 1 / 5Y el sistemaCon bajaFototoxicidad (reducción del daño óptico en los tejidos), que se puede analizar en tiempo real "Luz- NIR-IISonda-Tejido biológico " InterdimensionalMecanismo de interacción - - Por ejemplo, en la imagen cerebral de ratones vivos, se puede presentar claramente la distribución del diámetro capilar y la velocidad de flujo sanguíneo a varios milímetros de profundidad; EnNIR-IIQuantumEstructura nanométrica puntualEn la caracterización, se pueden localizar submicronesÁrea de nivelDefectos luminosos. Esta estrategia de fusión in situ no solo esNIR-IIMicro - nanomaterialesEl estudio de mecanismos micromecánicos como el mecanismo de luminiscencia de la interfaz y las funciones fisiológicas de los tejidos biológicos (como la angiogénesis tumoral) proporciona evidencia directa, y también se realiza a través de "Monitoreo dinámico- sí.Cromatografía profunda " La combinación de tecnologías ha sentado las bases metodológicas centrales para revelar las leyes de acción a escala cruzada de sistemas complejos, como la interacción entre el microambiente tumoral y la sonda.

El valor central del sistema de imágenes microscópicas de enfoque común de fluorescencia de dos regiones del infrarrojo cercano no solo radica en ",NIR-IIVentaja de banda- sí.Capacidad de resolución de enfoque común " La aplicación colaborativa radica más en lo que produce. "Espacio-profundidad-Tiempo " Acoplamiento profundo y análisis inteligente de datos de imágenes multidimensionales. Esta fusión rompe con la tecnología de imágenes tradicional "Limitaciones poco profundas" resolución-Compensación de profundidad de penetración " De "Isla de datos" Problemas, mediante el establecimiento "Las muestras están vacíasDistribución intergeneracional-Respuesta organizativa profunda-Evolución dinámica del tiempo " El modelo de asociación a escala cruzada realiza la cognición holográfica de sistemas complejos. - - Por ejemplo, en el diagnóstico de tumores, se puede obtener simultáneamente la ubicación espacial del límite tumoral, el Estado de suministro de sangre de los vasos sanguíneos profundos y el objetivo de la sonda.Unión direccionalEficiencia; EnNIR-IIEn la caracterización del material, se puede asociar la intensidad luminosa de la microregión con la uniformidad de la estructura cristalina. Especialmente en el contexto del rápido desarrollo actual de la inteligencia artificial y el aprendizaje profundo, los datos de imágenes de gran flujo generados por el sistema (como mapas de fluorescencia tridimensional de tejidos vivos, curvas dinámicas de luminiscencia de microregiones de materiales) se combinan con algoritmos de aprendizaje profundo para lograr el reconocimiento automático de áreas tumorales, el análisis cuantitativo de parámetros mecánicos de flujo sanguíneo,NIR-IIEl posicionamiento inteligente de los defectos de los materiales seguramente romperá los existentes. "Impulsado por la experiencia" El paradigma de imagen y representación, entrando en el impulsado por datosNIR-IINueva etapa de la investigación científica.

Casos de aplicación:

1. tiempo-VacíoSala-Análisis multidimensional de la dinámica profunda y los mecanismos moleculares de los tejidos biológicos por energía

Cerca de la segunda zona infrarroja..NIR-II,1000-3000 nm) bandaBaja organizaciónLas ventajas inherentes de la dispersión y la autofluorescencia baja y el espectro resuelto en el tiempo y el espacio real..r-espacio(combinación de imágenes, capaz de lograr laNIR-IIEl análisis sistemático de las características de emisión de las sondas fluorescentes en diferentes retrasos de tiempo, diferentes posiciones espaciales y diferentes energías (longitudes de onda) revela en profundidad la Dependencia de las señales de las sondas de los procesos biológicos. La idea central de la imagen fluorescente de la segunda región del infrarrojo cercano es combinar "Retraso en el tiempo" y "Tipo de sonda/.Parámetros de excitación " Como variable clave, a través InGaAs DetectorIntroducciónCampo ancho guiado/.Enfoque común/.Sistema de imagen de película óptica y puerta electrónicaTiempo de controlTecnología de resolución, medición precisa de tres tipos en diferentes condicionesNIR-IILa intensidad luminosa, la longitud de onda de emisión y la distribución espacial de las sondas (nanopartículas inorgánicas, moléculas orgánicas, proteínas de ingeniería genética) son diferentes, y la señal de la sonda se construye en el tiempo.-Espacio..t-rMapa de distribución dinámica en el espacio). En comparación con la luz visible tradicional/ NIR-IImágenes..Solo atenciónEstructura estática poco profunda e intensidad macroscópica de la luz,NIR-IILa imagen fluorescente no solo proporciona información sobre la evolución dinámica de la sonda (como la velocidad del flujo sanguíneo, la trayectoria de eliminación de medicamentos) y el posicionamiento espacial profundo, sino que también refleja la Ley de dispersión inducida por la luz en el tejido biológico, la eficiencia de Unión de la sonda con el objetivo biológico y la relación señal - ruido de la supresión de autofluorescencia.SNR) Efecto de promoción.(referencias:Procedimientos Nat Rev Cebadores 4, 23 (2024).(...)

Imagen2. En el tumorCD8- sí.El TEspecificidad de los antígenos celulares (rojos) y de la ovoalbúminaEl TCélulas (verdes) ypernp-ovacasde BCitosina-ácido fosfórico-Guanina..CpG B) nanovacuna (azul) tridimensional..3D) ReconstrucciónNIR-IIimagen[1[en inglés]

Más allá, si se introduce un eje de energía basado en la resolución temporal y la imagen espacial..EEs decir, la longitud de onda de emisión de la sonda), se puede retrasar por el tiempo..t), posición espacial..r) y energía FotónicaE) espacios tridimensionales constituidos..t-r-EEn el espacio de fase) se dibuja el mapa de distribución de emisiones de la señal de la sonda, es decirI (t, r, E(...)Mapa. Este tipo de mapas permiten a los investigadores rastrear simultáneamente las leyes de evolución temporal de la sonda (como el movimiento del Frente sanguíneo, la prescripción del transporte linfático), las características de distribución espacial (como el área de aglomeración dirigida del tumor, las ramas vasculares profundas) y las características de adaptación energética (como la longitud de onda de emisión y laNIR-IIGrado de coincidencia en la subregión), revelando diferentes sondas-El origen selectivo de la emisión de señales en el Estado de interacción biológica. Por ejemplo, en imágenes de tejidos biológicos vivos, en diferentes momentos, espacios y energíaNIR-IILas señales de la sonda mostraron diferencias significativas:La FDAAprobadoICGCon la colaLanzamiento extendido aNIR -IIa Distrito..1300-1400 nm), puede localizar submicrometros en tiempo real en la cirugía de tumores hepáticos humanosTransferencia de nivelEstufa (resolución espacial)2 de μm), se puede rastrear después de la cirugía en la dimensión temporal 24 Dinámica de eliminación hepática y renal de la sonda dentro de las horas;NaYbF4: EsNanopartículas de tierras raras..RENPs) lanzamientoNIR-IIb de 1550 nmLa señal de banda se mantiene después de penetrar el cráneo completo del ratón.SNR > 10, que distingue claramente las ramas de las arterias cerebrales (rojas) y las venas (azules) en el espacio, coincide energéticamente con la ventana de minimización de la dispersión de los tejidos y pasa en el tiempo> 20Cuadros/.La imagen dinámica de segundos capta las fluctuaciones del flujo sanguíneo causadas por el ciclo cardíaco;CH-4T@Emisión de Complejos proteicosNIR-II de 1000 nmSeñales que se pueden combinar con sondas vasculares en linfografíaDCNPs,1060 nm) formación de imágenes bicolor que distinguen con precisión los ganglios linfáticos de la ingle de la red vascular circundante en el espacio y rastrean el proceso de transporte de la sonda desde la inyección intracutánea hasta los ganglios linfáticos en el tiempo..~ 30Min pico);NIR-IILas imágenes fluorescentes se pueden utilizar para determinarRENPspara "Sonda prioritaria para imágenes de tejido cerebral profundo" (adaptaciónNIR-IIbVentana de baja dispersión,ICGpara "Sonda prioritaria de transformación clínica" ("La FDAAtributos aprobados), al tiempo que se identifica la Ley de atenuación de la autofluorescencia de los tejidos con el aumento de la longitud de onda..> 1300 nmInsignificante) desencadenadoSNREfecto de mejora.

2. Puntos cuánticosSondaPreparación yNIR-IIAplicaciones de imágenes biológicas profundas

Zona 2 del infrarrojo cercano..NIR-II,1000-1700 nm) imágenes fluorescentes conBaja organizaciónLas ventajas únicas de la dispersión y la baja autofluorescencia muestran un gran potencial en el campo de la imagen de alta resolución de tejidos profundos y se han convertido en una importante dirección de investigación de la imagen biomédica. Sin embargo, existenNIR-IILos grupos fluorescentes (como tintes orgánicos, nanotubos de carbono, nanocristales de tierras raras) generalmente tienen problemas de bajo rendimiento cuántico, mala estabilidad química o biocompatibilidad insuficiente; Aunque PbS Puntos cuánticos..QD) con alto rendimiento cuántico (hasta60%), pero sus metales pesados..Pb²⁺) toxicidad por fugas,S²⁻Los defectos de estabilidad óptica causados por la oxidación fácil limitan seriamente su aplicación en imágenes vivas. En los últimos años,PbS@CdS Estructura de la cáscara nuclearQDa través de CDS La cáscara ha mejorado inicialmentePb²⁺Problemas de fuga, mientras SiOyLa FDAAprobadoAnfifilidadPolímerosPlurónico F-127La estrategia de recubrimiento de doble capa puede mejorar aún más la estabilidad química y la biocompatibilidad del material.- -SiOLa capa proporciona aislamiento físico para inhibir la oxidación y las fugas de iones,F-127La capa otorga propiedades solubles en agua y antiabsorbentes, a través de la construcción PbS@CdS @SiO₂@F-127Nanopartículas..NPs), se espera que avanceNIR-IISonda fluorescente“Alto brillo-Alta estabilidad-Baja toxicidad " Los cuellos de botella difíciles de tener en cuenta proporcionan nuevos programas para imágenes de tejidos profundos como vasos sanguíneos cerebrales y tracto gastrointestinal.

En este estudio, se utilizaron el método de microemulsión inversa, la modificación del injerto de superficie y el proceso de dispersión ultrasónica para preparar la cantidad objetivo.Subpunto, combinado con microscopía electrónica de transmisión (tem)TEM), dispersión dinámica de la luz..DLS), estabilidad/.Espectro de fluorescencia instantánea, espectro de absorción atómica..AAS) y InGaAs Sistema de imágenes de cámara, el sistema revela PbS@CdS @SiO₂@ F-127 NPsLas propiedades ópticas características, la estabilidad química y las propiedades de imagen biológica de la película se encuentran en un alto rendimiento cuántico.- 5,79%Superando con creces la mayoría de los existentesNIR-IIGrupo fluorescente), anchoEl pHEstabilidad química del rango..pH 1-13dentro24 horasCambios en la fluorescenciaMenos del 30%), baja toxicidad in vivo e in vivo..Umuc3Células 10 microgramospor mlTasa de supervivencia a la concentración> 90%), así como la eliminación ultrarápida in vivo (después de la administración gastrointestinal)4,5 horasExpulsar con las heces) y otras ventajas; Estas mejoras de rendimiento se atribuyen a SiO₂-F-127Sinergias de estructuras de doble capa- -SiOLa cáscara aísla físicamente el oxígeno del agua para inhibirQDOxidación,F-127DePEGLos segmentos de cadena reducen la adsorción de proteínas y mejoran la solubilidad en agua, mientras que el recubrimiento denso formado por ambosCapa efectivaBloqueoPb²⁺/Cd²⁺Fugas, al mismo tiemponTipoQDLa interacción de interfaz con la capa de recubrimiento optimiza las características de emisión de fluorescencia.(referencias:Zebibulaet al.,Adv.FunciónMater. , 32: 2200386 (2022)(...)

Imagen3. Los vasos sanguíneos cerebrales del mismo ratón fueron fotografiados a diferentes profundidades.NIR-IIImagen fluorescente

Los resultados experimentales confirman efectivamente la monocapa. CDS Par de cáscara PbS Efecto protector del núcleo (reducidoPb²⁺Tasa de fuga) y SiO₂-F-127El efecto del recubrimiento de doble capa en la mejora de la estabilidad química destaca PbS@CdS @SiO₂@ F-127 NPsNIR-IIRendimiento de la imagen: su pico de emisión se encuentra1155 nm(adaptaciónNIR -IIa Ventana de baja dispersión), lograda en la angiografía cerebral de ratón 950 de μm La red vascular profunda se visualiza claramente,3DLa imagen reconstruida puede distinguir los capilares meninges blandos; En imágenes gastrointestinales, con 80 microgramospor kgSe puede lograr con una inyección gástrica de dosis bajas.3-5 mmSeguimiento dinámico profundo de los órganos digestivos..10 minutosMostrar el contorno del estómago,4,5 horasLlegar al intestino grueso y expulsarlo con las heces,7 dNo hay residuos en la parte posterior del cuerpo. Al mismo tiempo, estos resultados también guían directamente la selección de los parámetros experimentales de la sonda: la longitud de onda de excitación se determina como785 nm(emparejamiento PbS@CdSQDAlta eficiencia de excitación), bloqueo de ventanas de detección de imágenes1100-1700 nm(filtrar la luz estimulada y el astigmatismo); Entre ellos, diferentesEl pHEl mapa de cambios de intensidad de fluorescencia en condiciones proporciona evidencia óptica directa para la estabilidad química de los recubrimientos de doble capa, mientras que la evolución dinámica de las señales de fluorescencia en imágenes vivas (como fluctuaciones del flujo sanguíneo cerebrovascular y trayectorias de migración de sondas gastrointestinales) verifica aún más la fiabilidad de este punto cuántico en el monitoreo dinámico de tejidos profundos.

3. Infrarrojo de onda corta soluble en agua biocompatibleSWIR) Lanzar floresJingSíntesis de sondas fluorescentes similares y cáncer de mama multidimensional vivoMolécula de gradoAplicaciones de imágenes

Infrarrojo de onda cortaSWIR,900-1400 nm) imágenes conBaja organizaciónLas ventajas únicas de la dispersión y la baja autofluorescencia muestran un gran potencial de aplicación en el campo de la visualización biomolecular de tejidos profundos, especialmente proporcionando una nueva dirección para la imagen precisa de tumores sólidos como el cáncer de mama. Sin embargo, actualmente disponibles en la clínica y la investigación científica.SWIRLas sondas fluorescentes tienen limitaciones significativas: clásicosLa FDAInfrarrojo cercano aprobado..NIRSonda IndolJingVerde..ICG), aunque se puede extender aSWIREmisión de banda, pero la longitud de onda de excitación se limita800 nmA continuación, solo se admiten imágenes monocromáticas, lo que no puede satisfacer las necesidades de monitoreo simultáneo de múltiples objetivos; otrosSWIRLos grupos fluorescentes (como los nanotubos de carbono y los puntos cuánticos) se enfrentan a problemas de mala biocompatibilidad, poca solubilidad en agua o síntesis compleja. En los últimos años, basado enICGDe π-Flores extendidas conjugadasJingLos tintes similares han atraído mucha atención debido a su fuerte ajustabilidad estructural y alta bioseguridad.ICG-C9yICG-C11Al aumentar másCadena jiachuanNúmero de teclas dobles (por separado)ICGmucho 1 un、2 unDoble enlace) para lograr el desplazamiento rojo de la longitud de onda de emisión aSWIRBanda central y confiadaICGLa base de biocompatibilidad del núcleo madre se puede optimizar mediante modificaciones superficiales. A través de la construcciónICG/ICG-C9/ICG-C11La sonda base es un acoplamiento con anticuerpos, marcadores apoptóticos o medicamentos anticancerígenos, capaces de colaborarSWIRLas ventajas de la imagen y la capacidad de reconocimiento dirigida logran un análisis multidimensional de los receptores superficiales del cáncer de mama, los vasos sanguíneos tumorales y el proceso de apoptosis.SWIRLa transformación clínica de la imagen molecular proporciona nuevas ideas.(referencias:Mahadeva et al.,Aplicación ACS. Madre. Interfaces. ,16, 17253−17266(2024).(...)

Imagen4. IndolJingVerde..ICG),ICG-C9yICG-C11Propiedades ópticasLa caracterización integral incluye el espectro de absorción, el espectro de fluorescencia,Pico de emisión de fluorescencia y rendimiento cuánticoY la vida útil de las emisiones fluorescentes

En este estudio, se utilizó síntesis orgánica, Estado estable/.Caracterización espectral instantánea y tecnología de imágenes vivas, el sistema revelaICG-C9/ICG-C11Las características ópticas características y las propiedades de imagen biológica de la sonda encontraron que era precisa.SWIREmisión de banda (fase acuática)1% de BSAEn medio,ICG-C9Lanzamiento922 nm,ICG-C11Lanzamientode 1010 nm), excelente biocompatibilidad..HeLaCélulas 10 μMTasa de supervivencia a la concentración> 90%, en el cuerpo 4 Hígado y riñón ZhouIndicadores funcionales normales) y capacidad de imagen estable..1% de BSAIrradiación láser media60 minutosTasa de fotoblanqueamientoMenos 30%) Estas mejoras de rendimiento se atribuyen a π-El efecto de desplazamiento al rojo de la longitud de onda causado por la expansión conjugada,BSALa combinación con la sonda mejora la estabilidad y las floresJingHeredado por el núcleo madreICG生物安全性。

Los resultados experimentales confirmaron efectivamenteICG-C9/ICG-C11De π-Estructura extendida conjugada ySWIRCorrelación de las características de emisión (por incremento 1 unDoble enlace, desplazamiento al rojo de la longitud de onda de emisión.de 100 nm), ydel NHSéster, malayoAciloReactivos y anticuerpos marcados con imines y alquinas..Herceptina,Erbitux),anexión V, medicamentos anticancerígenosKadcylaLa capacidad de acoplamiento eficiente de este tipo de sondas destaca su multicolor.SWIRAdaptabilidad de la imagen - - a través de785 nm()ICG),905 nm()ICG-C9),975 nm()ICG-C11) excitación diferenciada y filtro de banda correspondiente..900±25 nm、1000±25 nm、1100±25 nm), se puede lograr la mamaCáncerHER2/EGFRImagen tricolor simultánea del receptor con los vasos sanguíneos tumorales; Al mismo tiempo, este resultado también Guía directamente la selección de la combinación de sondas para imágenes apoptóticas..ICG-KadcylayICG-C9/IC11-anexina V) y los parámetros de longitud de onda del monitoreo a largo plazo..ICG-C9-Kadcylaadoptar905 nmEstimular,> 1000 nmDetección). Entre ellos, la absorción en estado estacionario/.El espectro de fluorescencia confirma la sonda-Retención de propiedades ópticas después del acoplamiento biomolecular, fluorescencia instantáneadecadenciaCurva..ICG-C9Vida útil2,7 ns,ICG-C11Vida útil7,1 ns) paraSWIREl reconocimiento resuelto en el tiempo de la señal proporciona la evidencia óptica necesaria, mientras que la distribución de la señal de la imagen viva verifica el objetivo de la sonda.