腫瘤細胞的代謝活動對于維持腫瘤生長和惡性腫瘤至關重要。新興研究強調(diào)了不同腫瘤的異質(zhì)代謝圖景，但其內(nèi)在和外在決定因素尚未完全闡明。腫瘤微環(huán)境中這些獨特的代謝程序和改變的代謝水平不僅影響癌癥行為，而且影響針對癌癥代謝的藥物的功效。因此，體內(nèi)代謝通量和腫瘤變化的定量評估對于了解參與腫瘤增殖和侵襲的癌細胞的代謝特征具有重要意義。腫瘤微環(huán)境由不同的細胞群組成，這些細胞的呼吸和其他線粒體活動有助于腫瘤的進展，同時伴隨著耗氧量。事實上，血管作為腫瘤代謝微環(huán)境的重要組成部分，負責氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的供應。惡性腫瘤中毛細血管內(nèi)氧合血紅蛋白飽和度（sO2）狀態(tài)與腫瘤代謝和生物能狀態(tài)密切相關。腫瘤血管sO2狀態(tài)的可靠體內(nèi)測量和動態(tài)可視化可為癌癥預后和治療提供信息。幾十年來，體內(nèi)光聲顯微鏡一直是血管結構成像和血氧飽和度測量的首選技術。然而，開發(fā)下一代原位動態(tài)sO2成像技術仍面臨挑戰(zhàn)，該技術需要提高深層組織（>1mm 深度）血氧測量的精度，并具有多路成像和血液動力學分析等多功能功能。過去十年見證了第二近紅外窗口（NIR-II，1,000–1,700 nm）體內(nèi)光致發(fā)光成像研究的大量涌現(xiàn)。在此光譜區(qū)域，生物組織的光散射和激發(fā)光誘導的組織自發(fā)熒光均減少，有助于亞厘米組織深度的高分辨率和多重分子成像。特別是，在NIR-II 區(qū)域 1,500 至 1,700 nm 之間的長波長帶 (NIR-IIb) 進行成像能夠進一步抑制光子散射并完全消除自發(fā)熒光，從而使尺寸<10 μm 的腦血管清晰可見，而無需開顱手術。通過成像幀的時間進程評估血流動力學參數(shù)的主成分分析能夠區(qū)分腦動脈、腦靜脈和鼻竇，用于小鼠創(chuàng)傷性腦損傷和缺血性中風的體內(nèi)評估。鑒于此，國家納米科學中心鐘業(yè)騰、胡志遠、陳春英等人開發(fā)了一種受脈搏血氧計啟發(fā)的體內(nèi)動態(tài)NIR-IIb-sO2成像技術，以直接可視化和定量評估大腦和腫瘤血管的sO2水平。
本研究合成了具有核殼結構的六方相pEr納米粒子。核由純NaErF4制成，被惰性NaYF4外殼包圍，以保護其免受表面淬火。pEr在808 nm和980?nm激發(fā)下的量子產(chǎn)率分別為1.08%和0.78%。血液在這些波長下的吸收隨氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的比例變化而異。為了確保生物相容性，在實驗前用親水性交聯(lián)聚合物層對 pEr 進行功能化。在650 nm 和 980 nm 激發(fā)下，對分散在 PBS、小鼠靜脈血和動脈血中的 pEr 進行幻影成像。650-Ex/980-Ex 的比率可用于評估氧飽和度。小鼠靜脈血的比例較低，氧飽和度較低（86.06%），而動脈血的比例較高，氧飽和度較高（97.89%）。推導出經(jīng)驗校準公式，根據(jù) 650:980的比率計算 sO2。進一步的實驗證實了測量的 sO2值的可靠性，不受光路、納米探針濃度或連續(xù)照射的影響。
圖|用于評估血氧飽和度的NIR-IIb發(fā)光pEr納米探針小鼠腦血管系統(tǒng)的體內(nèi)動態(tài)sO2成像pEr 的1,550 nm發(fā)光非常適合體內(nèi)深層組織成像，因為它能夠最大限度地減少光子散射并消除自發(fā)熒光。體外模型研究證實，即使在穿透 1.6 mm厚的小鼠皮膚時，也能實現(xiàn)穩(wěn)定的 sO2測量。pEr 在 24 小時內(nèi)在器官中積累，隨后在注射后 2 周內(nèi)排出約 70%，這突顯了 pEr 納米探針出色的生物相容性。通過檢測靜脈注射的 pEr 納米探針在 650 nm 和980 nm 激光激發(fā)下的 1,550 nm 發(fā)光來進行動態(tài)體內(nèi) NIR-IIb sO2成像。這允許以每個通道15ms的高頻率交替采集650-Ex和980-Ex通道。每個激光的照射時間為13ms，中間間隔2ms，以防止信號干擾。來自650-Ex 和980-Ex 通道的每兩個相鄰幀被合并以創(chuàng)建一個 sO2 幀，從而以33Hz的幀速率生成動態(tài) sO2成像。這種非侵入性實時動態(tài)血管造影能夠通過完整的頭皮和顱骨對小鼠腦血管中的 sO2 水平進行量化和繪圖。圖|小鼠腦血管系統(tǒng)的體內(nèi)非侵入性動態(tài)sO2成像。以低氧水平為特征的腫瘤缺氧會影響癌癥進展。然而，很少有人關注腫瘤相關血管的氧飽和度。利用先進的體內(nèi)成像，研究人員實現(xiàn)了腫瘤血管血流的實時視頻速率成像。觀察到高氧水平的異常動脈血管，表明腫瘤的血液供應模式不尋常。整個腫瘤被灌注，靜脈有利于廢物清除。在腫瘤區(qū)域發(fā)現(xiàn)了氧合水平升高的高密度血管，表明存在廣泛的血管網(wǎng)絡。不同腫瘤類型的腫瘤相關血管 sO2 水平有所不同，這反映了它們的代謝多樣性。令人驚訝的是，含氧量較高的腫瘤也表現(xiàn)出較高的耗氧率，表明癌細胞積極塑造腫瘤微環(huán)境。氧合作用和癌細胞代謝之間的這種正相關性表明對環(huán)境的積極影響。了解特定的氧合水平有助于了解惡性細胞和腫瘤的代謝特征，為腫瘤微環(huán)境提供有價值的見解。圖|不同腫瘤模型的體內(nèi)sO2成像和腫瘤相關血管sO2評估。研究人員通過將其與其他腫瘤成像方法相結合，可以提高癌癥診斷和預后的準確性。利用鉺基 NIR-IIb 納米顆粒 (ErNP) 開發(fā)了動態(tài)雙重 NIR-IIb 共定位成像方法。這些納米粒子發(fā)出與 pEr 幾乎相同的發(fā)光，但具有不同的吸收光譜。這使得同步sO2成像和腫瘤分子成像成為可能，有助于研究 PD-L1 免疫檢查點阻斷療法對腫瘤血管氧合的影響。該研究在追蹤腫瘤微環(huán)境中的免疫治療反應方面顯示出有希望的結果。圖|利用pEr和ErNP在同一NIR-IIb窗口中進行體內(nèi)兩重腫瘤成像綜上所述，該研究開發(fā)了 1,500–1,700nm NIR-IIb 窗口的體內(nèi)動態(tài)sO2比率成像，這使我們能夠通過小鼠頭部和皮膚的完整頭皮/頭骨以及腫瘤組織正確評估血液血紅蛋白飽和度，幀速率≥ 30 Hz。腫瘤相關血管sO2水平變化的病理生理機制是復雜的、多因素的，有待進一步研究。然而，對癌癥代謝相關的腫瘤相關血管sO2 水平進行無創(chuàng)動態(tài)監(jiān)測，結合腫瘤 PD-L1 表達狀態(tài)的體內(nèi)評估，可以促進更準確地預測免疫治療反應和結果。Fang, Z., Wang, C., Yang, J. et al. Oxyhaemoglobin saturation NIR-IIb imaging for assessing cancer metabolism and predicting the response to immunotherapy. Nat. Nanotechnol. (2023).https://doi.org/10.1038/s41565-023-01501-4
