體內(nèi)成像技術(shù)已成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)（cns）疾病藥物研發(fā)和臨床評估的重要組成部分。650-950nm范圍的近紅外（nir）熒光成像廣泛用于臨床前體內(nèi)成像研究，而向短波紅外（swir，1000-1700nm）窗口具有更高的組織穿透性和分辨率，有很高的臨床應(yīng)用潛力。加南大研究人員maria j. moreno等以swir窗口為重點，綜述了近紅外熒光光學(xué)成像模式的進展。利用photon公司的ir vivo系列近紅外二區(qū)小動物活體成像體統(tǒng)，詳細研究討論了開發(fā)新型有機和無機swir發(fā)射體的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，特別關(guān)注了毒理學(xué)和藥理學(xué)方面。在成像儀器、算法和新的swir發(fā)射體的進步的推動下，swir成像解決了臨床前研究csn光學(xué)成像模式面臨的主要障礙。生物相容性swir發(fā)射體的開發(fā)和多模式成像模式中swir的采用有望將光學(xué)成像快速推進到轉(zhuǎn)化研究和臨床應(yīng)用中。文章以“in vivonear-infrared fluorescent optical imaging for cns drugdiscovery”為題發(fā)表于expert opin drug discov。
1-簡介
慢性神經(jīng)系統(tǒng)（cns）疾病，包括阿爾茨海默?。╝d）、帕金森?。╬d）、多發(fā)性硬化、卒中和慢性疼痛等，正迅速成為一種不斷升級的流行病，對醫(yī)療保健系統(tǒng)都是一個巨大挑戰(zhàn)。相較于其他治療領(lǐng)域，cns藥物成功率低，很大一部分cns靶向分子在早期/晚期臨床試驗中失敗，只有6.8%的臨床試驗產(chǎn)品進入市場。cns疾病藥物開發(fā)面臨的障礙與其他治療領(lǐng)域類似：缺乏合適的疾病轉(zhuǎn)化動物模型、臨床前藥代動力學(xué)（pk）/藥效學(xué)（pd）關(guān)系在劑量選擇方面整合不足、缺乏對治療反應(yīng)的敏感早期檢測，以及需要在臨床試驗中解決人群異質(zhì)性的影響。此外大腦和神經(jīng)精神疾病的復(fù)雜性、血腦屏障（bbb）對藥物和成像造影劑的高度限制、安全風(fēng)險以及臨床試驗中缺乏可幫助患者選擇及早期療效評估的生物標(biāo)志物，使cns治療開發(fā)困難進一步加劇。
成像方法的整合可幫助解決一些問題。體內(nèi)成像有助于確定合適的治療目標(biāo)，評估生物分布和藥代動力學(xué)，評估靶點占有率、參與度和劑量反應(yīng)，以及中靶和脫靶效應(yīng)，還可能在臨床前和臨床藥理學(xué)方面發(fā)揮一定作用。
從結(jié)構(gòu)成像到分子成像，成像儀器和技術(shù)取得了重大進展，包括計算機斷層掃描（ct）、正電子發(fā)射斷層掃描（pet）、單光子發(fā)射計算機斷層掃描（spect）、磁共振成像（mri）、超聲波和光學(xué)成像。伴隨著新分子靶標(biāo)的鑒定、多功能造影劑的開發(fā)和提取定量數(shù)據(jù)的分析工具得以加速。pet、spect和mri已被用于臨床前疾病模型和藥物開發(fā)評估，特別是cns領(lǐng)域，但對設(shè)施和培訓(xùn)要求高，在大多數(shù)學(xué)術(shù)甚至工業(yè)實驗室中普及性不高。熒光光學(xué)成像功能強大、價格合理，是很好的臨床前體內(nèi)成像替代技術(shù)，而其分辨率也隨著發(fā)展日益提高。此外熒光成像在臨床應(yīng)用也顯示出巨大潛力，如熒光血管造影術(shù)、轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)標(biāo)測、心輸出量評估、癌癥定位、手術(shù)邊緣評估和圖像引導(dǎo)手術(shù)，彌補了光學(xué)成像技術(shù)傳統(tǒng)上的感知問題。
本文將以短波紅外（swir）窗口為重點，綜述近紅外（nir）熒光光學(xué)成像模式的進展?；仡欓_發(fā)和設(shè)置儀器以及新型有機和無機swir發(fā)射體的優(yōu)勢和問題，特別強調(diào)毒理學(xué)和藥理學(xué)。討論臨床前成像的未來前景及向神經(jīng)成像領(lǐng)域臨床轉(zhuǎn)化的潛力。
2-熒光成像：從nir到swir成像
熒光成像的原理是利用紫外光到紅外光范圍內(nèi)的光激發(fā)分子，分子被激活會發(fā)出波長更長的光子，用專門的傳感器能很容易檢測到這些光子。但當(dāng)光穿透組織層時，光-組織間的相互作用導(dǎo)致光發(fā)生吸收、反射、散射和自發(fā)熒光，這都會影響圖像捕獲和分析。近紅外（nir）（700nm-2000nm）光譜中的干擾要小于可見光（400nm-700nm）光譜，因此nir區(qū)被認為是“光學(xué)或治療窗口”，此處光具有max穿透深度，組織透明度max?；罱M織中，光吸收使信號強度降低，主要是由于內(nèi)源性發(fā)色團，如黑色素、水、脂質(zhì)、氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白。這些分子的吸收峰在400-900nm，可通過nir窗口（> 1000nm）成像來避免。組織自發(fā)熒光主要由nad(p)h、膠原、彈性蛋白、卟啉和fad等分子產(chǎn)生，而這些分子發(fā)射大部分可見光波長的光。幾乎所有生物組織的光散射程度都遵循反比波長關(guān)系（λ-α，其中λ為波長，不同組織α= 0.2-4），大腦的波長依賴性max。光散射會增加背景噪聲并影響空間分辨率，而通過nir波長成像可以顯著減少光散射。綜上所述（圖1），nir熒光成像的靈敏度、組織穿透深度、空間分辨率均高于傳統(tǒng)的可見光成像，已成為體內(nèi)研究的方式。
圖1（a）與波長相關(guān)的腦組織自發(fā)熒光，在較長波長下自發(fā)熒光發(fā)射減少。處死后立即用ivis lumina ⅲ結(jié)合氙燈和2個六色光源對大腦進行離體成像。激發(fā)和發(fā)射濾波器組:（a）明場；（b）ex/em:460±20nm/520±20nm；（c）ex/em:520±20nm，570±20nm；（d）ex/em:660±20nm，710±20nm；（e）ex/em:740±20nm，790±20nm，（f）ex/em:740±20nm，850±20nm。（b）水、脂質(zhì)、氧合血紅蛋白（hbo2）和脫氧血紅蛋白（hb）的吸收光譜。（c）皮膚、顱骨和腦組織相對于波長λ減少的散射系數(shù)μ’s。
過去十年里，nir外成像的發(fā)展主要集中在所謂的number one 個生物窗口”或nir-?。?50-950nm）中。“第二個生物窗口”或nir-ii，也稱為短波紅外（swir，1000-1700nm）的發(fā)現(xiàn)，使得生物樣品透明度方面有了巨大提升，在深度穿透和圖像分辨率方面都有顯著提高。但由于缺乏靈敏的探測器，swir成像很困難。用于nir窗口的硅基探測器在900nm以上產(chǎn)生的信號很低。其他基于鍺(ge)、銻化銦(insb)和碲化鎘汞(hgcdte)的探測器雖然在swir范圍內(nèi)靈敏度更高，但效率很低?；阢熸壣椋╥ngaas）的二極管陣列檢測器可更靈敏地檢測較長波長，使swir光譜在體內(nèi)外成像應(yīng)用成為可能。結(jié)合生物相容性swir發(fā)射體的發(fā)展，如有機染料、單壁碳納米管（swcnts）、量子點（qda）、稀土摻雜納米復(fù)合材料和金納米粒子，熒光成像領(lǐng)域發(fā)生了*改變，向臨床前和臨床成像轉(zhuǎn)化又邁進了一步。
3-nir-ⅰ和swir成像探針
3.1小有機熒光團
用于體內(nèi)的商業(yè)nir熒光探針大多是花青衍生物，通常表現(xiàn)出高摩爾消光系數(shù)，但熒光量子產(chǎn)率（qy）中等（約1-30%）。典型的例子是吲哚青綠（icg，emission:~800nm），目前廣泛用于臨床，包括眼底血管造影術(shù)、檢測黑色素瘤患者的前哨淋巴結(jié)、乳腺癌、胃癌和血流監(jiān)測等。水溶液中icg分子形成j-聚集體并快速熒光降解。然而在血液中，icg與血漿蛋白特別是球蛋白緊密結(jié)合，并在血管中持續(xù)循環(huán)，成為動態(tài)血管和血流成像的優(yōu)異染料。icg通過肝膽管迅速消除，并無代謝地釋放到膽汁中，因此可用于觀察肝臟和膽囊功能。icg與蛋白質(zhì)結(jié)合時會淬滅，最初認為這限制了分子成像應(yīng)用，但隨后發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)可用于開發(fā)可激活探針，由熒光沉默染料（icg）通過可酶切或?qū)h敏感的接頭附著在蛋白質(zhì)上。染料從蛋白質(zhì)上解離后變得不可抑制，僅在目標(biāo)組織中發(fā)光，與傳統(tǒng)的“持續(xù)發(fā)射”探針相比，背景熒光顯著降低，靈敏度和圖像對比度增強。
icg存在光穩(wěn)定性差、水溶性差和qy低（血清中約9.3%）的缺點，因此需要開發(fā)新的有機nir/swir熒光團，面臨的挑戰(zhàn)包括開發(fā)控制熒光團發(fā)射波長所需的復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)、將非常離散的波長轉(zhuǎn)移到swir光譜，以及大多數(shù)新開發(fā)分子的qy都很低（0.01-1.4%）。新swir染料除改善物理化學(xué)特性（如高消光系數(shù)和量子產(chǎn)率、低光漂白和快速腎清除）外，還需要經(jīng)過非常嚴(yán)格的毒性和安全性臨床評估。fda批準(zhǔn)的icg染料最初被認為限制在1000nm的nir范圍內(nèi)，但用ingaas相機分析時顯示出一條擴展到1500nm以上的長發(fā)射尾。此外在對比度和圖像分辨率方面，較弱的swir“非峰值”發(fā)光優(yōu)于明顯較強的nir-ⅰ峰值發(fā)光。因此將ingaas攝像機與當(dāng)前的臨床成像平臺相結(jié)合，有望使swir成像向快速跟蹤臨床轉(zhuǎn)化（圖2）。
圖2使用ir vivo (photon etc, qc, canada)在以nir區(qū)域用icg在裸鼠體內(nèi)成像，顯示透明度和圖像分辨率有所提高：（a）nir-ⅰ窗口全身成像；ex: 780 nm，帶通濾波器:850 nm/50。（b）swir窗口全身成像；ex: 780 nm，長光程濾光片:1250 nm。（c）swir窗口小鼠頭部成像；ex:780nm，長光程濾光器:1250nm。（d）光路和swir ir vivo成像系統(tǒng)主要組件的示意圖。
3.2有機/聚合物納米粒子
聚集誘導(dǎo)發(fā)射發(fā)光體（aiegens）是swir發(fā)光體的另一種形式，在生物醫(yī)學(xué)成像中有很大潛力。與大多數(shù)聚集誘導(dǎo)猝滅的有機小分子熒光團相反，aie熒光團在從孤立分子轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂{米粒子狀態(tài)時表現(xiàn)出熒光增強。
使用供體-受體（d-a）方法產(chǎn)生aie點（bpn和tq用作供體和受體單元）。tq-bpn采用兩親性聚合物pluronic f-127封裝成有機點，所得tq-bpn量子點具有寬發(fā)射光譜（700-1200nm），激發(fā)/發(fā)射峰在約630/810nm，強拖尾可至1200nm，在nir和swir區(qū)的qy分別可達