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有读书笔记Deep-tissue anatomical imaging of mice using carbon nanotube fluorophores in the second near-infrared window

唐唐 添加于 2011-6-1 02:12 | 1963 次阅读 | 0 个评论

  •  作 者

    Welsher K, Sherlock SP, Dai H

  •  摘 要

    Fluorescent imaging in the second near-infrared window (NIR II, 1–1.4 μm) holds much promise due to minimal autofluorescenceand tissue scattering. Here, using well-functionalized biocompatible single-walled carbon nanotubes (SWNTs) as NIR II fluorescentimaging agents, we performed high-frame-rate video imaging of mice during intravenous injection of SWNTs and investigatedthe path of SWNTs through the mouse anatomy. We observed in real-time SWNT circulation through the lungs and kidneys severalseconds postinjection, and spleen and liver at slightly later time points. Dynamic contrast-enhanced imaging through principalcomponent analysis (PCA) was performed and found to greatly increase the anatomical resolution of organs as a function oftime postinjection. Importantly, PCA was able to discriminate organs such as the pancreas, which could not be resolved fromreal-time raw images. Tissue phantom studies were performed to compare imaging in the NIR II region to the traditional NIRI biological transparency window (700–900 nm). Examination of the feature sizes of a common NIR I dye (indocyanine green)showed a more rapid loss of feature contrast and integrity with increasing feature depth as compared to SWNTs in the NIR IIregion. The effects of increased scattering in the NIR I versus NIR II region were confirmed by Monte Carlo simulation. Invivo fluorescence imaging in the NIR II region combined with PCA analysis may represent a powerful approach to high-resolutionoptical imaging through deep tissues, useful for a wide range of applications from biomedical research to disease diagnostics.

  •  详细资料

    • 文献种类: Journal Article
    • 期刊名称: Proceedings of the National Academy of Sciences
    • 期刊缩写: Proceedings of the National Academy of Sciences
    • ISBN: 0027-8424

  • 学科领域 信息系统 » 计算机科学

  •  所属群组

    信息科学综合  

  • 相关链接 DOI URL 

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    科学家开发出新型小鼠成像技术
    近日来自斯坦福大学的研究人员开发了一种新型成像技术。相比于传统的染料，新技术采用的荧光纳米碳管材料可在小鼠上获得深入数厘米的高清晰图像。这一研究成果在线发表在美国《科学院院刊》（PNAS）上。
     
    领导这一研究的是著名华人科学家戴宏杰教授，其早年毕业于清华大学。1992年戴宏杰进入 美国哈佛大学攻读博士，博士毕业后师从美国来斯大学诺贝尔奖提名人开展博士后研究（导师第二年获诺贝尔奖）。两年后，进入美国斯坦福大学大学担任助理教 授、副教授。2006年被评为终身教授，是该校最年轻的终身教授。戴宏杰教授以其在纳米材料研究中的突出贡献，多次获得中国国家杰出青年奖，北美青年科学 家奖，美国国家纯化学奖。2009年被评选为美国艺术与科学院（American Academy of Arts and Science）院士。2011年2月入选全球顶尖一百化学家名人堂榜单。中央电视台曾对其事迹进行专题报道，美国《世界日报》等许多华文报纸也都曾以大 版篇幅报道。
     
    “过去我们曾用相似的碳纳米管将药物传送至实验小鼠体内用于治疗肿瘤，然而我们并不知道药物传送的确切部位，”戴宏杰教授说：“利用新型的荧光纳米管技术，我们能够同时实现药物传递和实时成像，从而评估出药物攻击靶点的准确度。”
     
    在这篇文章中，研究人员将单壁纳米碳管注入到小鼠体内，并观察到纳米管随着血液循环被传送 到小鼠的内脏中。当研究人员将激光投向小鼠时纳米管发射出明亮的荧光，进而研究人员通过照相机感测到纳米管的近红外线波长，从而拍摄下图像。通过这种方 法，研究人员观测到了药物通过小鼠身体的整个过程。
     
    新型纳米管的关键性特点在于它发光的近红外线波长不同于大多数的常规染料。小鼠和人类的生 物组织通常在小于900nm 波长范围内发出自身的荧光，而这与目前常规的生物相容性有机荧光染料的波长范围有所重合。因而背景荧光会对荧光染料生成的图像进行干扰。戴宏杰研究小组开 发的纳米管的波长范围为1000-1400nm。在这一波长范围内几乎没有任何自然组织荧光，从而将背景“噪音”降至了最低水平。
     
    此外，由于近红外波长范围越长组织散射的光线就越少，纳米管的另一个优势在于可减少光线在小鼠体内迁移造成的图像弥散。
     
    在新研究中，戴宏杰与他的研究生Sarah Sherlock以及Kevin Welshe首先将纳米管注射至小鼠血管中，在数秒钟之后他们就观察到荧光纳米管通过了小鼠的肺和肾脏，并在随后进入到脾脏和肝脏中。研究小组在对循环纳 米管数字视频图像进行了一种称作“主成分分析”的处理后获得了更高质量的图像。
     
    “脾、胰腺及肾脏的原始图像反映的是一种泛化的信号，”Sherlock说：“通过处理我们能够获取到信号的细微变化，从而分辨出通过不同器官的第一信号。”
     
    “现在我们就能够真正地了解哪些物质进入到或阻隔在了其他器官之外，”戴宏杰说。“尽管我之前从未想象过这些纳米管能够在动物体内获得如此深入的成像。当我看到这些图像的时候，我不禁赞叹道小鼠的身体都为之变得透明了。”（来源：生物通 何嫱）
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