IVIS视角丨突破“光”的局限！这项成像技术让小动物深层肿瘤“无所遁形”

来源：瑞孚迪生命科学

作者：Teresa

在生物医学研究中，小动物光学成像技术是探索疾病机制、评估药物效果的“眼睛”。其中，光学成像因高灵敏度、高特异性等优势被广泛应用，但传统光学成像常受限于组织穿透深度不够、背景干扰大等问题，难以清晰捕捉深层组织的生物学过程。不过，近期发表在Nature子刊的两篇文章，带来了颠覆性的超声诱导发光成像技术，为解决上述难题提供了全新解决方案，实现了高强度光学信号输出的成像新方法，凸显了小动物光学成像的特殊价值。

技术突破：让“深不可测”变“一目了然”

图1系统展示了用于超声诱导发光成像的纳米颗粒的构建与筛选过程：通过纳米沉淀法将15种发光分子（如TD、PFODBT、Ce6等）制备成水溶性纳米颗粒，并建立了两种超声诱导光子采集的成像模型：延迟超声诱导发光成像和实时超声诱导发光成像。在延迟成像模式下，超声换能器放置在溶液样品下/中或动物组织表面，利用超声偶联凝胶激发，激发停止后立即将溶液样品或动物转移到成像暗箱中，使用CCD（电荷耦合器件）相机（来自IVIS Lumina XR成像系统）获取图像。在实时成像模式下，将超声换能器置于成像暗箱内，在暗箱内对样品进行超声波激发。无需转移样品即可同时获得超声诱导发光图像。

结果显示三蒽衍生物纳米颗粒（TD NPs）在延迟超声诱导发光成像中表现出最高的发光强度，比水高2389倍。TD NPs通过压电效应产生极化电荷，随后通过压电催化产生大量ROS，生成的ROS与TD分子进一步反应，通过化学发光过程发射光子。与传统荧光成像相比，超声诱导发光成像由于超声激发和光信号发射之间没有串扰，因此灵敏度和信噪比都有所提高。

图1. 发光纳米粒子的筛选

随后研究人员对三蒽衍生物基纳米颗粒（TD NPs）超声诱导发光特性进行了详细的表征。实验结果表明TD NPs在30 kHz、40 kHz、50 kHz、100 kHz等不同超声频率激发下，均呈现相似的发光光谱，峰值集中于625-650 nm，且与自身荧光光谱一致，表明超声激发频率不改变其发光光谱特征（图2a）；在延迟成像模式下，2.5 μg/mL、200 μL的TD NPs随超声激发时间（5-120s）延长，发光强度持续上升并在90 s达最大值，随超声激发功率密度（4.5-9.2 W/cm²）升高而逐渐增强，且其浓度与发光强度呈良好正线性关系（R²=0.990），该趋势在实时成像模式下同样存在，即功率密度升高、浓度增加均会使实时成像的发光强度上升；TD NPs的超声诱导发光信号随着组织覆盖厚度增加，信号虽有衰减，但仍能在2.2cm组织厚度下获得有效信号，且在各组织厚度下，其超声诱导发光成像的信噪比均显著高于荧光成像（图2e）。这些特性共同体现了TD NPs在超声诱导发光成像中的潜力。

图2. TD NPs的超声诱导发光成像性表征

实战案例：光学成像如何赋能肿瘤成像前沿研究？

在详细表征TD NPs的超声诱导发光性能后，研究人员设计了不同的动物模型，探究TD NPs在活体动物水平的成像能力，实验结果如图3所示。（1）活体小鼠组织穿透成像验证：将浓度为20 μg/mL、体积200 μL的TD NPs溶液置于小鼠腹部下方1.6 cm处，对TD NPs进行超声预激发后，分别采集超声诱导发光图像与荧光图像。结果显示，超声诱导发光从小鼠腹部上方可观测到强烈信号，而荧光信号几乎与背景无法区分，直观证明了超声诱导发光在活体组织中具备更优的穿透能力，能有效避免组织对信号的干扰（图3a）。（2）皮下CT-26肿瘤成像：构建皮下CT-26肿瘤小鼠模型，向肿瘤内注射TD NPs，对肿瘤区域进行超声预激发后进行成像。图3b中，超声诱导发光图像清晰显示肿瘤区域有强烈信号，而小鼠其他部位几乎无背景信号；图3c对两种成像方式的信噪比量化分析表明，超声诱导发光的信噪比约为206，是荧光成像的11.7倍（P=2×10⁻⁴），证实该技术在皮下肿瘤成像中具有高特异性和高信噪比，能精准定位肿瘤位置。（3）原位脑胶质瘤成像：建立小鼠原位胶质瘤模型，经静脉注射TD NPs后，在不同时间点对小鼠头部区域进行超声预激发（1 MHz、1.5 W/cm²，15 s）并成像。结果显示，注射后不同时间点，胶质瘤小鼠头部区域的超声诱导发光信号呈动态增强趋势，表明TD NPs可通过血液循环到达脑部深层肿瘤部位并被超声激活发光，验证了该技术对深层原位肿瘤的成像可行性，如图3d所示。

图3. 体内延迟超声诱导发光成像

这项超声诱导发光分子成像技术，突破了传统光学成像的局限，以更深的穿透深度、更高的信号质量、更灵活的成像模式和良好的生物适用性，为小动物光学成像领域开辟了新方向。在实际应用中，该技术展现出强大的潜力。它能清晰成像皮下肿瘤（图3b-c）、原位肿瘤（图3d-e），还能精准定位淋巴结（图3g-h）、筛查腹膜转移肿瘤（图3f）。

随后，研究人员继续拓展了超声诱导发光成像的应用，基于共振能量转移（FRET）机制，将TD纳米颗粒（供体）与BHQ-3或IR780（受体）通过酶切肽段（如Granzyme B、MMP-2、Caspase-3识别序列）或ROS响应结构连接，构建出“信号关闭”状态的探针。当目标酶或ONOO⁻存在时，肽段被切断或染料结构被破坏，FRET效应消失，TD纳米颗粒在超声激发下恢复强发光信号，实现高选择性、高灵敏度的“信号开启”检测。实验结果显示，TD-Grz-BHQ探针对Granzyme B的检测限低至亚微克级别，且对其它酶无交叉反应；TD@IR780探针对ONOO⁻响应灵敏，呈良好线性关系，验证了该类探针在免疫应答监测与氧化应激成像中的强大潜力，如图4所示。

图4.用于酶和 ONOO−成像的可激活超声诱导发光探针

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