高信噪比肿瘤乏氧成像

氧气是人体内部重要的代谢物之一，许多重要的生命活动都离不开氧气的参与。供氧不足导致的生物乏氧是肿瘤的重要特征，研究表明90%以上的实体肿瘤中均有乏氧细胞存在，准确测定肿瘤内的乏氧状态，不仅能为肿瘤诊断与治疗的基础研究创造条件，而且为临床判断肿瘤预后和采用干预措施治疗提供了依据。因此，实现乏氧细胞的检测成为了生物医学领域的研究热点。磷光过渡金属配合物（如铂、铱和钌配合物等）作为一类重要的乏氧探针，能够实现无损、可逆和实时地检测肿瘤乏氧。这些磷光金属配合物的三线态激发态与氧分子的三线态基态之间存在能量和电子转移，可有效猝灭磷光，从而导致磷光发光强度和寿命的显著变化。然而，这些磷光过渡金属配合物需要高能量光激发，这在生物成像过程中会导致生物自发荧光，从而降低了成像信噪比。

利用时间分辨成像技术（time-resolved luminescence imaging technology, TRLI）和近红外光激发则能够有效地解决上述问题。时间分辨成像可从时间尺度上对发光信号进行分析，从而消除短寿命生物自发荧光的干扰，提高成像信噪比。它包括寿命成像（photoluminescence lifetime imaging microscopy, PLIM）和时间门成像（time-gated luminescence imaging technology, TGLI）。此外，由于生物组织对近红外光的吸收较弱，采用近红外光激发可有效避免生物自发荧光的产生，提高信噪比，同时还能增加组织的穿透深度。

最近，南京邮电大学赵强教授和黄维教授领导的研究团队与复旦大学李富友教授合作，发展了一种可用于高信噪比肿瘤乏氧检测和成像的纳米光学探针。该纳米探针为核壳结构，核为稀土掺杂的上转换纳米粒子（lanthanide-doped upconversion nanoparticles, UCNPs），壳为磷光铱配合物修饰的介孔二氧化硅。以UCNPs作为能量给体，磷光铱配合物作为能量受体，利用上转换和能量转移机制，该探针可实现在近红外光（980 nm）激发下对氧气浓度的检测，从而消除生物背景荧光的干扰。同时，利用时间分辨成像技术，实现了高信噪比的肿瘤乏氧检测和成像。更为重要的是，通过共聚焦成像、寿命成像和时间门成像技术，成功实现了对肿瘤细胞内氧气浓度梯度的检测。该纳米光学探针为研究肿瘤乏氧提供了新的方案，并在生物医学成像领域具有潜在的应用价值和前景。该工作近期在线发表在Advanced Science（ DOI: 10.1002/advs.201500107）。