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复旦化学系张凡团队
在近红外荧光寿命活体成像领域取得重要进展
实现无创活体多重成像 有望为肿瘤精准诊断提供全新方法

作者:韩蕴如发布时间:2018-08-07

目前,对组织进行切片仍为临床医学中诊断肿瘤的主要方法。然而在这一诊断方法的背后,却隐藏着诸多风险与隐患。切片诊断技术不得不依赖于肉眼对肿瘤的性质、大小与阶段作出判断,诊断结果的精确度仍不能完全保证。同时,传统的切片活检过程也难以避免肿瘤细胞转移的风险。那么,未来是否能开发一种全新的技术,无需通过手术切片操作,就可以无创地实现肿瘤精准诊断?

8月6日,《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊在线发表了复旦大学化学系教授张凡团队的科研成果,为以上难题的攻克提供了全新的思路与可能。这篇以《荧光寿命工程化的近红外第二窗口纳米颗粒解锁活体多重成像》(“Lifetime engineered NIR-II nanoparticles
unlock multiplexed in vivo imaging”)为题的论文,提出将近红外荧光寿命成像技术运用于活体多重检测当中,有望成为一种全新的肿瘤精准诊断方法。这也是复旦大学通过交叉学科研究取得的又一重大成果。于此同时《自然·纳米技术》发表了“views and news”,对该工作进行了专题新闻报道和评述。

复旦大学化学系博士后凡勇为第一作者。相关研究工作得到了复旦大学化学系、聚合物工程国家重点实验室、上海市分子催化和功能材料重点实验室、国家重点研发项目、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会等机构与项目的鼎力支持。

技术进步:荧光成像逐步应用于活体多重成像研究

荧光是自然界中常见的一种发光现象,可以通过荧光探针介质来对生物体组织进行成像检测。荧光成像不仅具备了实时性和高空间分辨率等特点,同时还能通过多个不同波长的荧光信号,以实现多个待测物的同时多通道检测。荧光成像所具备的一系列优势,使其在生命科学、药学和医疗诊断等领域都有着非常广泛的应用前景。 

在过去的工作中,研究者们主要致力于在可见光区(400 nm-750 nm)和近红外第一窗口(700 nm-900 nm)内进行荧光成像。但由于生物体内不同的组织(如皮肤、脂肪、骨骼等)对激发光和发射光均具有不同的散射和吸收作用,使得在这两个区间内的光学穿透深度和成像分辨率都比较低。这种现象就好比是在夜晚拿着照相机拍照,不仅难以拍清较远的物体,照片成像中的噪点也会格外明晰。

最近,研究者们发现,在近红外第二窗口区(NIR-II,波长1000 nm-1700nm)内,生物组织对激发光和荧光信号的散射和吸收作用极低。光在穿透皮肤、脂肪等生物组织时的“折损率”就极大地下降了。换句话说,相比起可见光区和近红外第一窗口,荧光信号在近红外第二窗口区域内可以更好地实现对生物体的深组织成像。同时,生物组织在近红外第二窗口区域内的自发荧光效应也较低,使生物组织内的待检测荧光信号较少受到来自生物组织本身的自发荧光的干扰。消除了生物组织自身的干扰因素后,成像“照片”中的“噪点”也就得到了显著减少。正是在这两大优势的助力下,近红外第二窗口区域内的荧光成像在生物组织多重检测中有着较好的表现与巨大的发展前景。

然而,这一成像技术在实际的活体多重成像应用中的效果却往往不尽如人意。由于生命活体中各类生物组织在不同的光波段里,具有截然不同的散射和吸收“能力”,所获得的荧光信号会随着不同深度的组织而变化,无法有效地利用多个波长来对活体中不同的分析物进行同时定量检出,无法实现活体中基于多光谱信号的多重检测。

难道就没有别的办法了吗?带着质疑和不断的尝试,张凡团队为这一难题交出了具有突破性的答卷。

研究突破:利用近红外荧光寿命为优化肿瘤诊断提供全新可能

针对以上难题,张凡团队提出了“基于时间维度的多重成像法”,利用在近红外第二窗口区具有荧光发射的稀土纳米探针荧光寿命信号来实现活体多重成像

当荧光探针被一束近红外激光激发后,该探针吸收能量从基态跃迁至激发态,偏离原有的“运动轨道”,再以辐射跃迁的形式发出荧光并回到基态,回归到原有的“运动轨道”上。当去除激发光后,探针荧光强度降低到激发时荧光最大强度的1/e时所需要的时间即为荧光寿命。团队在实验中发现,荧光寿命的数值具有较好的稳定性,并不会因为生物组织深度的改变而随之改变。

 
图1:(a)不同荧光寿命的稀土纳米探针在离心管中的荧光寿命的伪色彩图。(b)编码小球中稀土纳米探针Er发射通道和Ho发射通道的荧光寿命和荧光强度随着不同厚度生物组织的变化。

有了荧光寿命这一定量后,张凡团队选择了毒性更低、扛光漂白能力更强的稀土纳米颗粒进行实验。实验之初,纳米颗粒的合成对项目的进展起到了不小阻碍。面对每次都不尽相同的合成结果,团队最终决定放弃已有的数据成果,全部推倒重新来过。在持续了大半年的努力下,团队经过对反应时间、反应温度、实验装置和原料等细节的精密调控,终于克服了纳米颗粒合成的技术问题。

利用能量延迟供给以及对发光离子的浓度进行分别调控的方法,团队实现了在单一波长下对荧光寿命进行三个量级以上的精确调节。最终,成功将这一新型成像技术应用于乳腺癌肿瘤的精准诊断,其对多个肿瘤标志物的定量检测结果与临床医学传统的检测技术获得的结果具有高度一致性。

 
图2:(a)小鼠实验的过程示意图。(b)对MCF-7和BT-474乳腺癌肿瘤不同标志物的定量检测。

相较于传统临床诊断技术一次只能对一种肿瘤标志物进行检测的限制,张凡团队提出的时间维度成像方法可以同时定量多个肿瘤标志物,显著提高了检测的效率。同时,时间维度成像法还以“拍照”的形式取代了原本的活检手术,不仅可以直接避免肿瘤细胞转移的风险,同时降低了传统方法在组织切片、处理和评分过程中可能造成的人为误判风险,有望成为一种新型的无创肿瘤诊断方法

目前,该研究仍停留在实验室阶段,还需进一步向临床试验推进。荧光寿命纳米探针进入人体后在各个脏器中的分布以及代谢程度如何,仍然有待后续研究做出进一步的考察与分析。但是这一科研成果所点亮的诸多可能,都将为分析化学、材料科学、生物光子学、生命科学、生物医学工程和医疗诊断等领域拓宽研究视野与前行的方向。
 

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