Small:金纳米簇实现近红外二区荧光成像骨骼系统

近红外二区荧光成像(NIR-II,1000-1700nm)由于具有较深的组织穿透能力、更高分辨率和信噪比,近年来被广泛地应用于肿瘤检测、血管和淋巴管成像、以及荧光引导手术等方面。目前尽管已经报导了一系列可用于NIR-II荧光成像的探针,但开发兼具高靶向性、高生物相容性和体内快速清除能力的材料仍然是该领域的重要挑战。骨骼荧光成像具有良好的临床应用前景。但绝大多数与骨组织亲和的荧光材料仅能在近红外一区(700-1000nm)进行荧光成像,由于其较浅的组织穿透能力,导致只能处死动物、剥离皮肤后才能实现骨成像。另外,一些用于骨成像的近红外一、二区纳米材料,其成分和结构复杂,纳米尺寸较大,常住肝脾脏器长时间蓄积,难以快速清除出体内,有可能导致潜在的生物毒性。

美国斯坦福大学分子影像中心的程震教授,首都医科大学附属北京天坛医院贾旺教授、李德岭博士,西南民族大学的刘强博士等针对以上这些问题,合成了粒径约为3.3nm左右的金纳米簇Au25(SG)18离体实验中发现了金纳米簇可与羟基磷灰石实现高效、快速且特异性地结合。而且金纳米簇相比于该课题组前期发表的能够靶向骨骼的基于稀土纳米颗粒的NIR-II探针RENPs@DSPE-mPEG,其与羟基磷灰石的结合效率增加了近7倍。同时,在细胞培养基、血清蛋白等较为复杂的生理体系下,金纳米簇和羟基磷灰石仍能达到很好的结合效果。与骨结合后的金纳米簇既可在近红外一区(800nm)、又可在近红外二区(1000nm以上)实现荧光成像。进一步的离体和动物在体荧光成像研究均证实了其在近红外二区荧光具备明显的优势。其可穿透活体鼠的皮肤和部分软组织,在InGaAs镜头下实现清晰的荧光骨骼成像,而近红外一区荧光的探测深度和灵敏度均受到软组织的严重影响。在体的代谢试验证实了金纳米簇在脊柱上的结合非常迅速,静脉注射后42秒钟即可实现较高的二区成像信噪比,24小时左右达到最大信噪比(4.35),14天后则降到基本不可见的水平。该金纳米簇在体内不同位置的骨组织上均有明显的摄取,包括体内较深的鼻骨、上颌骨和骨盆等。在进一步的模拟手术过程中,在剥离背部皮肤和椎旁肌肉等软组织后,通过二区荧光可准确区分脊椎的椎弓根(骨质最密集区域)和椎管结构,即使在脊柱侧弯的极端情况下也依然能辨别。这一重要发现提示了金纳米簇具有潜在的应用光学引导椎弓根钉置入、避免损伤椎管甚至脊髓或神经的临床转化价值。相比于既往通过X光定位椎弓根钉及置入后再次通过X光确认有无误穿进椎管结构,金纳米簇实时荧光技术具有无放射性、可实时引导等优点。金纳米簇另外的优势还在于,其较小的分子粒径导致了其可经过肾脏快速排泄,在肝脏和脾脏中的吸收也非常低。该代谢特征一方面使得肋骨、胸骨等骨组织可以显示清晰,另一方面减少了对肝脾的潜在功能损害,使得金纳米簇具有高的生物相容性和临床转化价值。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202003851)上。