本文要點：由808或980 nm激發(fā)的鑭系離子激活納米顆粒在生物成像領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文揭示了這些納米顆粒的物理化學(xué)特性，并探討了它們作為近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光劑在生物成像中的潛力。具體而言，NIR-IIb窗口（1500-1700nm）具有低散射和組織自發(fā)熒光少的優(yōu)點，這使得該區(qū)域適合進行更清晰的成像。鑭系元素因其豐富的能級而具有多種發(fā)射可能性，使其成為高效的納米探針。本研究聚焦于氧化釓（Gd2O3）作為主體材料，因其制備簡便且毒性低。Gd2O3體系摻雜了Yb3+和Er3+離子，在NIR-IIx（1400?1500nm）和NIR-IIb窗口中實現(xiàn)了高達22.8%的量子效率。此外，穿透深度測試和體內(nèi)成像研究揭示了NIR-IIb窗口的穿透性。此外，Gd3+離子具有磁性，這支持了其在磁共振成像（MRI）中的應(yīng)用。本研究揭示了Yb3+-Er3+體系的高亮度和高能量轉(zhuǎn)移效率，并探討了Gd2O3納米顆粒在MRI中的可行性。因此，這項工作為理解納米熒光體在MRI/NIR-II成像中的動態(tài)變化提供了具有生物相容性的候選材料，適用于臨床應(yīng)用。

小動物活體成像

極其靈敏且合適的熒光納米探針是疾病早期診斷治療的關(guān)鍵。結(jié)合多種成像方式可解決單一技術(shù)局限，提高診斷精度，確保更準確有效的臨床結(jié)果。其中，多模態(tài)納米粒子能精確度診斷疾病，受到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注。應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)多模態(tài)成像探針將磁共振成像（MRI）與近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光成像相結(jié)合，其中，以稀土離子為特征、摻雜于無機晶體宿主基質(zhì)中的稀土摻雜納米粒子作為NIR-II熒光團引起了極大興趣。與常見晶體氟化物宿主基質(zhì)相比，Gd2O3作為宿主材料在高溫下具有低水溶性和穩(wěn)定性，是環(huán)保材料且在可見光到近紅外區(qū)域沒有額外熒光峰，能抑制組織自發(fā)熒光，顯著提高信噪比。NIR-II光學(xué)探針提供高空間分辨率，MRI提供更精確的相對定位細節(jié)和生物學(xué)見解?；卺彛℅d）的納米系統(tǒng)能限制光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，Gd2O3是有效的MRI造影劑和稀土發(fā)光材料的優(yōu)良基質(zhì)。相關(guān)研究證實了Gd2O3作為多模態(tài)探針基質(zhì)的能力，但使用Gd2O3作為基質(zhì)并探索Yb3+/Er3+能量轉(zhuǎn)移途徑以增強NIR-IIb發(fā)射的研究較少。

本研究通過光學(xué)研究探索了Yb3+到Er3+的能量傳遞途徑，提高了Gd2O3:Yb3+,Er3+體系在近紅外區(qū)域的內(nèi)部量子效率，預(yù)期信噪比更高、穿透深度更廣。APTES涂覆改善了納米粒子分散性，該材料兼具MRI活性和NIR-IIb發(fā)射特性。體系表現(xiàn)出降頻途徑，與降頻轉(zhuǎn)換途徑不同且后者實施有難度。APTES涂覆的納米粒子可靜脈注射到小鼠體內(nèi)進行MRI/NIR-II成像以實現(xiàn)精準快速疾病診斷，該策略或可用于其他臨床應(yīng)用。

圖2. 的近紅外二區(qū)（NIR-II）成像實驗

NIR-II成像設(shè)置如圖2a所示，其中使用808和980 nm激光激發(fā)NIR-II探針（GOYE和GOYE@APTES)。使用InGaAs相機通過1100nm長通（LP）濾光片捕獲樣品的NIR-II圖像。圖2b顯示了放置在含有GOYE和GOYE@APTES樣品。NIR-II探針在乳腺組織內(nèi)的穿透深度約為1cm。圖2c表示NIR-II信號強度與穿透深度之間關(guān)系的定量評估，其中NIR-II的信號強度隨著雞胸脯組織厚度的增加而降低，并在9mm組織厚度之前顯示強度。圖2d也顯示NIR-II信號強度在5mm組織厚度內(nèi)保持明亮。GOYE@APTES由于APTES涂層的影響，與GOYE相比，NIR-II信號的強度差異很小，但并不那么突出。NIR-II信號強度與穿透深度關(guān)系的比較GOYE@APTES在λex=808nm和λex=980nm激發(fā)下的樣品，當λex=980 nm時，由于在該波長下水的吸收，NIR-II信號強度突然降低。然而，對于λex=808 nm，下降更為平緩。因此，它證實了λex=808 nm比λex=980 nm提供了更好的穿透深度（圖2e）。NIR-II信號從0逐漸減小到11mm。圖像表明，對于λex=808nm的組織厚度，NIR-II的信號可以在近9mm處觀察到，對于λex=980nm的組織厚度可以在5mm處觀察到。這證實了GOYE@APTES在λex = 808 nm時具有較高的穿透深度。

圖3. GOYE和GOYE@APTES樣品生物相容性分析

圖3a、b展示了用GOYE和GOYE@APTES處理的NeHepLxHT（正常肝細胞）和Mahlavu（癌細胞）的細胞活力圖。選擇肝細胞進行體外研究，因為納米顆粒在靜脈注射后傾向于在肝臟中積聚。使用連續(xù)稀釋技術(shù)配制了五種不同濃度（0.25、0.125、0.0625、0.03125和0.015625 mg/mL）來處理細胞72小時。GOYE和GOYE@APTES兩種樣品對NeHepLxHT細胞顯示出相似的細胞活力趨勢，其中鑭系樣品濃度的增加分別將細胞活力降低至73%和64%。兩種樣品在NeHepLxHT和Mahlavu細胞中獲得的細胞活力均大于80%。兩種鑭系樣品對NeHepLxHT正常肝細胞和Mahlavu癌細胞的細胞毒性較小。*P值是針對GOYE@APTES樣品計算的。圖3c展示了用PBS連續(xù)稀釋濃度為250、125、62.5、31.3和15.65 μg/mL后，GOYE和GOYE@APTES樣品的溶血測試結(jié)果。為計算溶血率，使用了公式5：

其中As是樣品在540 nm處的吸光度，A0是陰性對照在540 nm處的吸光度，A∞是陽性對照在540 nm處的吸光度。GOYE樣品在125μg/mL血液濃度下顯示出其溶血率，為6.65 ± 0.1%。相比之下，GOYE@APTES系統(tǒng)的溶血率明顯較低，在15.65 μg/mL血液濃度下記錄為0.66± 0.01%。此外，GOYE@APTES的溶血率在較低濃度下遠低于4%，與未包覆的GOYE系統(tǒng)相比顯著降低。APTES包覆在增強GOYE的生物相容性、限制其溶血活性并降低紅細胞損傷潛力方面起到了關(guān)鍵作用。圖3d展示了靜脈注射10 mg/mL GOYE@APTES后裸鼠器官的蘇木精和伊紅染色結(jié)果。經(jīng)GOYE@APTES樣品處理后，腦、脾、肝、心、肺和腎組織未顯示任何組織學(xué)變化。

圖4. MRI分析

圖4a展示了GOYE和GOYE@APTES圖像的T1和T2映射圖，并證實了樣品中MRI信號的存在。GOYE和GOYE@APTES樣品的濃度分別為17.2、8.6、4.3、2.15和1.075 mM。擬合曲線的斜率對應(yīng)于縱向（r1）和橫向（r2）弛豫率。GOYE的T1和T2弛豫率分別為0.0009和0.3262 mM–1·s–1。r1值較低可能是由于GOYE納米顆粒濃度較低和尺寸較小所致。較高的r2值表明GOYE系統(tǒng)可用作T2造影劑，而非T1造影劑。擬合曲線的斜率對應(yīng)于T1和T2弛豫率。GOYE@APTES的r1和r2分別為0.0048和0.8558 mM–1·s–1。該結(jié)果與未包覆的GOYE納米顆粒相似。較高的r2值可能源于Gd2O3納米顆粒較大的平均尺寸。隨著Gd2O3納米顆粒平均尺寸的增加，導(dǎo)致r2/r1比值升高。在圖4b中，GOYE和GOYE@APTES的r2/r1值均超過150，這證實了納米探針可能用作T2造影劑，使器官圖像顯得更暗；這一現(xiàn)象是由于GOYE@APTES納米探針尺寸較大（約140 nm，圖S12a）以及納米探針的形狀所致。 本研究中，通過尾靜脈向小鼠注射了200 μL GOYE@APTES。掃描區(qū)域以肝臟為中心，并在注射后10分鐘進行成像。圖4c、d分別顯示了T1加權(quán)和T2加權(quán)MRI掃描結(jié)果。NOD-SCID小鼠靜脈注射GOYE@APTES并被攝取后，T1加權(quán)圖像顯示肝臟亮度增加，同時腎臟的髓質(zhì)和腎盂清晰可見。在T2加權(quán)圖像中，注射后腎盂與腎椎體之間的對比度增強。

圖5. λex = 808/980 nm激光下NIR-II體內(nèi)成像的比較

參考文獻

Satpathy, Aishwarya, et al. "Gd2O3 Doped with Yb3+/Er3+for Boosted Downshifting Pathway in NIR-IIb Region and Exploring the Dynamics of MRI/NIR-II Imaging in the Nanophosphor." ACS Applied Materials & Interfaces 17.44 (2025): 60789-60801.