2020年9月4日消息，近日，来自复旦大学张凡教授研究团队（http://nanobiolab.fudan.edu.cn）在Nature Communications杂志发表了题为NIR-II bioluminescence for in vivo high contrast imaging and in situ ATP-mediated metastases tracing的文章（第一作者LingFei Lu）。该文章报道了一种新型的生物发光探针可以用于高对比度的活体成像以及体内的ATP介导转移肿瘤追踪。

研究团队首先合成了一种新型七甲川菁染料FD-1029。该染料的发射波长位于近红外第二窗口（1029 nm），且分子间具有较大的空间位阻，在较高浓度下不易发生聚集，能够拥有较大的摩尔消光系数。在这基础上，进一步通过生物发光共振能量转移（BRET）和两步荧光共振能量转移（FRET）开发了发射光位于第二近红外窗口的新型生物发光探针（NIR-II-Bioluminescence Probes, NIR-II-BPs）（图1）。

图1 近红外第二窗口发光的生物发光探针的制备原理及其发光过程

该探针具有良好的生物相容性，成功应用于小鼠的血管和淋巴管的高质量成像。与相同条件下的近红外第二窗口荧光成像以及常规生物发光成像相比较，其信噪比提高约5倍，空间分辨率提高约1.5倍。同时，由于这种能量传递策略的可调性，这类探针也能应用于多通道的活体标记成像。文中，作者们成功实现了荷瘤小鼠的肿瘤与瘤旁血管的多通道成像（图2）。

图 2 小鼠肿瘤和瘤旁血管的多通道成像以及小鼠下腹部淋巴系统的多通道成像

作者们进一步利用该探针对三磷酸腺苷（ATP）的特异性响应，结合肿瘤组织由于旺盛的新陈代谢往往具有较高的ATP的特点，成功实现了对肿瘤的高信噪比成像。在淋巴结转移瘤的追踪实验中，作者对同一小鼠两侧淋巴节转移瘤分别进行近红外二区荧光成像和生物发光成像对比。结果表明，由于无需外加激发光源，近红外二区生物发光成像能够获得高达83.4的肿瘤/正常组织信号比（Tumor to Normal tissue Ratio）——这一数值是荧光成像的33倍。

具有高穿透深度和高分辨率的光学成像技术对于在体的生物医学影像具有重要的意义，长期以来一直是一个挑战。这项工作证明了通过能量传递方式构建近红外第二窗口生物发光探针（NIR-II-BPs）的可行性。这种自发光方式克服了在体成像过程中外部激发光的不利影响。从而能够实现血管、淋巴管、肿瘤和转移瘤的高分辨率成像。此外，通过选择不同的发光团，这种方法也可以成为一种实现具有不同发射波长的生物发光的通用方法，用以满足不断增长的对高对比度多色成像及传感需求。

研究背景

光学成像（Optical Imaging），由于其具有非侵入性、实时、快速反馈和高灵敏度的优点，在体内生物信息可视化中起着至关重要的作用。然而，由于复杂生物器官和组织中的内源性荧光团（黑色素，弹性蛋白，胶原蛋白，角蛋白，卟啉和黄素等）在外部辐射激发下会产生自发荧光，这使得活体荧光成像时的背景信号升高，从而限制成像时的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。

因此，诸如生物发光成像（Bioluminescence Imaging）、化学发光成像（Chemiluminescence Imaging）、余晖发光成像（Afterglow Imaging）等不需要外部激发光的光学成像策略受到了极大关注。其中生物发光成像由于其优异的生物相容性尤为受人青睐。迄今为止，生物发光成像已被广泛用于跟踪细胞，监测基因表达，检测生物活性小分子，肿瘤成像等领域。

然而，常规的基于荧光素酶（Luciferase）的生物发光探针发射光往往位于可见光范围（VIS，400 nm-700nm），这使得在将其应用于生物成像时会受到强大的组织吸收和散射干扰，因此难以获得清晰的成像结果。

在过去的十年间，通过生物发光共振能量转移（BRET）的策略，生物发光探针的发射波长已经被拓展到了具有较低组织吸收的近红外第一窗口（NIR-I，700 nm-900 nm），并且获得了一些具有高信噪比的成像结果。但散射效应仍然是一个障碍——在较大的组织深度下的近红外第一窗口生物发光成像依然模糊。近年来的研究表明在近红外第二窗口（NIR-II，1000-1700 nm）生物组织具有更小的吸收和散射。

因此开发发射波长位于近红外第二窗口（NIR-II，1000-1700 nm）的生物发光探针将能够进一步提高生物活体成像的效果，具有重要的意义。在将生物发光过程中无需激发光源，具有高信噪比的特点与生物组织在近红外第二窗口低吸收、低散射的优势相结合后，近红外第二窗口生物发光成像可以实现更高信噪比，更深组织（~1 cm），更高空间分辨率的活体光学成像。

文章来源： BioArt