新技术可实现更锐利的生物成像

比较用短波荧光成像(右)和近红外荧光成像(左)成像的血管。两幅图像均依赖于称为ICG的荧光染料,但通过短波荧光成像可以更清楚地看到血管。礼貌的研究人员

荧光成像广泛用于可视化生物组织,例如眼睛后部,其中可检测到黄斑变性的迹象。在重建手术过程中,它通常也用于对血管进行成像,从而允许外科医生确保血管正确连接。

对于这些程序,以及现在临床试验中的其他人员,如成像肿瘤,研究人员使用一部分称为近红外(NIR)的光谱 - 700至900纳米,超出人眼可以检测到的范围。将在此波长发荧光的染料施用于身体或组织,然后使用专用相机成像。研究人员已经表明,波长大于1,000纳米的光被称为短波红外(SWIR),提供比NIR更清晰的图像,但没有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综合医院的研究小组现在已经朝向使SWIR成像广泛应用迈出了重要的一步。他们已经证明,FDA批准的商用染料现在用于近红外成像,对于短波红外成像也非常有效。

“我们发现,自1959年以来,这种染料已被批准,它确实是目前我们所知道的用于短波红外成像的最亮的荧光团,”Lester Wolf教授Moungi Bawendi说。在MIT的化学。 “现在临床医生可以开始为他们的应用尝试短波成像,因为他们已经有了一种荧光基团,可以用于人类。”

使用检测短波红外光的相机成像这种染料可以使医生和研究人员获得更好的血管和其他身体组织的图像以进行诊断和研究。

Bawendi和前麻省理工学院研究科学家Oliver Bruns是该研究的高级作者,该研究出现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研究生Jessica Carr和Daniel Franke。

切开雾

研究人员在本研究中使用的染料,称为吲哚菁绿(ICG),最强烈地发出800纳米左右的荧光,该荧光属于近红外范围。当注入体内时,它会穿过血液流动,使其成为血管造影(血液流过血管的可视化)的理想选择。一些机器人辅助手术系统已纳入NIR荧光成像以帮助可视化血管和其他解剖特征。

麻省理工学院的研究小组发现ICG对SWIR成像的用处有点偶然。作为另一篇论文的对照实验的一部分,他们测试了量子点对短波红外线ICG荧光输出的荧光输出。他们预计ICG将没有产出,但很惊讶地发现它实际上产生了一个非常强烈的信号。

Bawendi的实验室和其他研究人员一直有兴趣开发用于SWIR成像的荧光团,因为SWIR比NIR提供更好的对比度和清晰度。具有较短波长的光往往会散射出它撞击的物体的缺陷,但随着波长变长,散射大大减少。

“在近红外线中,你在组织中看到的许多特征可能看起来很模糊,一旦你进入短波红外线,图像就会清除,一切都变得尖锐,”布鲁斯说。

研究人员说,短波红外线还可以深入到组织中,尽管精确地计算多远是一个复杂的过程,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,研究人员使用常规荧光显微镜能够看到数百微米的组织。通常,只有使用双光子显微镜才能达到这个深度,这是一种更为复杂和昂贵的成像类型。

“我们发现短波红外线对于成像大背景上的小物体特别有用,因此当您想对小血管或毛细血管进行血管造影时,短波红外线比在近红外线,“弗兰克说。

强烈的信号

在他们的研究中,研究人员进一步探索了ICG,并表明它比目前正在开发的其他SWIR染料产生更强的信号。之前对ICG的研究集中在800纳米左右的发射,它发出最亮的荧光,所以没有人观察到染料在较长的波长也产生了强信号。尽管它在短波红外范围内不能有效地发荧光,但ICG吸收太多光线,即使只有一小部分作为荧光发射,信号也比其他SWIR染料产生的光线更亮。

研究人员还发现,ICG足够亮,可以快速生成图像,这对于捕捉运动非常重要。

“如果没有足够强的信号,它会减慢拍摄图像所需的时间,因此您不能将其用于成像运动,如血液流动或心脏跳动,”Carr说。

研究人员还测试了另一种在近红外线下工作的染料。这种称为IRDye 800CW的染料与ICG类似,可以附着于靶向蛋白质的抗体,如肿瘤中发现的蛋白质。他们发现IRDye 800CW在短波红外光下也发出明亮的荧光,认为它不如ICG明亮,并且表明它们可以用它成像小鼠大脑中的癌性肿瘤。

要进行短波红外成像,研究实验室和医院需要将现在用于NIR成像的硅相机转换为砷化铟镓(InGaAs)相机。直到最近,这些相机价格昂贵,但价格在过去几年一直在下降。

该研究团队现在正在进一步研究为什么ICG对短波红外成像效果很好,并试图确定其使用的最佳波长,他们希望这将有助于他们确定这种成像的最佳应用。他们还正在与其他实验室合作开发类似于ICG的染料,并且可能效果更好。

该研究由国家卫生研究院通过激光生物医学研究中心资助;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,“Shortwave infrared fluorescence imaging with the clinicalically approved near-infrared dye indocyanine green,”PNAS,2018; DOI:10.1073 / pnas.1718917115