近红外 IIb 区成像新突破：染料敏化掺钕稀土纳米复合材料提升亮度与光稳定性助力体内血管及肿瘤成像

为解决稀土掺杂纳米粒子（RENPs）在近红外 IIb（NIR-IIb）成像中存在的低消光系数、窄激发光谱和易淬灭等问题，研究人员开展了新型染料敏化、洋葱状掺钕 RENPs 纳米复合材料的研究。结果显示该材料提升了成像性能，为生物医学成像带来新突破。

　　在生物医学成像领域，近红外 II（NIR-II）技术的出现，就像是为医学研究开启了一扇新的大门。它凭借着能深入组织、微创以及减少自体荧光和光散射等优势，让科学家们能够更清晰地观察生物体内的奥秘 。特别是 NIR-IIb（1500 - 1700nm）这一细分领域，能提供更高的信噪比和空间分辨率，对于实时监测疾病进展、治疗反应以及研究复杂的解剖结构至关重要。

然而，目前常用的无机纳米材料在 NIR-IIb 成像中存在诸多挑战。稀土（lanthanide series）掺杂纳米粒子（RENPs）虽有潜力，但它的消光系数低、激发范围窄，而且在水环境中容易淬灭，这使得在体内实现高亮度和稳定的 NIR-IIb 成像困难重重，相关的科学研究也受到很大限制。为了突破这些瓶颈，来自台湾的研究人员开展了一项极具意义的研究，其成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上。

研究人员旨在开发一种创新的 NIR-IIb 成像剂，即洋葱状 Nd-RENPs 纳米复合材料。他们采用了优化的热分解方法，通过层层包覆构建出洋葱状的多层结构。这种结构以 NaYF₄纳米粒子为核心，掺杂 Yb³⁺、Er³⁺和 Ce³⁺离子，再依次包覆不同的壳层，并在最外层的胶束层中融入 IR783 染料。

研究人员用到的主要关键技术方法有：一是利用透射电子显微镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和动态光散射（DLS）等技术对纳米材料的结构和光学性质进行全面表征；二是通过光致发光光谱仪结合 InGaAs 探测器，对材料的发光光谱进行分析；三是运用表面修饰和染料封装技术，使纳米材料具备亲水性并能有效负载 IR783 染料；四是进行体内外成像实验，评估纳米材料的成像性能，包括在小鼠模型中的血管成像、肿瘤成像以及生物分布和排泄研究等。

研究结果

1. 纳米材料的合成与表征：通过优化的热分解方法成功制备出具有洋葱状结构的纳米粒子，TEM 图像显示粒子从简单的核心逐渐发展为复合的洋葱状结构，XRD 和 HRTEM 分析证实了粒子的晶体结构和高结晶度，DLS 分析表明随着壳层增加，粒子尺寸逐渐增大且分散性良好。
2. 发光光谱特性：光致发光光谱显示，在 793nm 激发下，纳米粒子在 975nm 和 1525nm 处有明显的下转换发光峰，分别对应 Yb³⁺和 Er³⁺的跃迁。洋葱状多层结构设计增强了 1525nm 处的发光强度，核心 - 三壳层（CS3）结构的纳米粒子发光强度最高，且添加第三层未掺杂壳层显著减少了淬灭效应。
3. 表面修饰与染料封装：成功对 CS3 纳米粒子进行表面修饰，使其具有亲水性，并将 IR783 染料封装在 DSPE - PEG 胶束层中。FTIR 光谱和 XPS 分析证实了表面修饰的成功，DLS 分析显示封装染料后的纳米粒子平均直径为 32nm，且分散性良好。与对照材料相比，CS3 - PEG/IR783 纳米复合材料的发光和激发光谱均有显著增强，表明存在有效的能量转移。
4. NIR-II 成像测试：在试管和模拟组织的模型中，IR783 显著增强了不同 PEG 化 RENPs 的发光信号，CS3 - PEG/IR783 纳米复合材料的发光强度比未负载染料的 C - PEG 提高了 75 倍。通过优化 IR783 染料浓度，发现浓度过高会导致聚集诱导淬灭，最佳浓度约为 40nmol。该纳米复合材料在模拟组织模型中的穿透深度可达 6mm，但信号强度会随深度增加而减弱。
5. 光稳定性测试：CS3 - PEG/IR783 纳米复合材料的光稳定性远高于游离的 IR783 染料，在 180min 的测试中，CS3 - PEG/IR783 的发光强度下降缓慢，而游离 IR783 在 60min 后信号几乎无法检测。CS3 - PEG/IR783 的稳定性是游离 IR783 的 9 倍，24h 后仍保留 66% 的稳定性。
6. 体内成像研究：在小鼠模型中，CS3 - PEG/IR783 纳米复合材料能够清晰地显示血管结构，与传统的成像剂 ICG 相比，具有更高的分辨率和对比度。在正常小鼠和荷瘤小鼠的时间依赖性成像研究中，发现纳米复合材料在正常小鼠体内主要分布在血管系统，1 小时后开始清除；在荷瘤小鼠中则优先在肿瘤部位积累，通过增强的渗透和滞留（EPR）效应实现肿瘤特异性成像。此外，还通过 3D 重建技术实现了对血管系统的多维可视化，能够清晰地显示不同深度的血管结构。

研究结论与讨论

研究成功开发了一种染料敏化的 NIR-IIb 成像纳米剂 —— 洋葱状掺钕稀土纳米复合材料（Nd-RENP）。该材料通过多层壳结构和胶束封装，有效减轻了淬灭现象，增强了光谱重叠，降低了有机染料的光漂白，从而提高了发射效率和光稳定性。体内研究证实，这种纳米复合材料在注射后能在小鼠体内维持高分辨率成像超过一小时，清晰显示血管和肿瘤图像。

其卓越的性能和扩展的成像能力，对多种生物医学应用中的生物过程研究、疾病进展监测和治疗效果评估具有重要意义，为 NIR-IIb 生物成像技术树立了新的标杆，有望成为未来临床和临床前应用中强大的成像工具 。不过，该研究也存在一些局限性，如需要进一步研究长期积累和潜在的器官特异性毒性，开发更易获得的激发源，以及优化合成方法以降低成本等 。但总体而言，这项研究为生物医学成像领域带来了新的突破和发展方向。