本文要點：相較受限于傳統的低穿透力、低信噪比和高背景自熒光干擾的基于紫外(UV,200-400 nm)和可見光(Vis, 400-650 nm)的光學方法，近紅外二區 (NIR-II 1000-1700 nm)納米探針的研究在體內成像領域引起了廣泛關注。遺憾的是，大多數NIR-II熒光探針，尤其是無機物的納米顆粒，幾乎不能從網狀內皮系統(RES)中排泄，從而產生了潛在的長期循環安全問題。

作者開發了一種簡單的熒光成像策略：合成了在NIR-II窗口中具有強烈發射的Nd3+摻雜稀土核殼納米顆粒（Nd-RENPs），NaGdF4:5%Nd@NaLuF4。更重要的是，Nd-RENPs可以從肝膽通路中迅速消除，從而降低RES長期保留的潛在風險。此外，研究者將Nd-RENPs成功用于NIR-II成像和磁共振成像（MRI）造影劑，從而能夠精確檢測乳腺癌。

研究者首先利用LSS合成法合成了NaGdF4:5%Nd核心與NaLuF4殼層，隨后用兩端分別為甲氧基和二磷酸基的聚乙二醇（PEG）進行表面改性。材料合成后，對之進行了一系列表征（圖1）。

圖1: NaGdF4:5%Nd@NaLuF4NP的表征。a Nd-RENP合成的示意圖。b NaGdF4:5%Nd核心的透射電鏡圖像（比例尺100nm）。c NaGdF4:5%Nd@NaLuF4NP的透射電鏡圖像（比例尺100 nm）。d 核心和核殼RENPs的直徑分布。e 在808 nm激發激光下，核心（NaGdF4:5%Nd）和核-殼RENPs（NaGdF4：5%Nd@NaLuF4）的下轉換光致發光光譜。f 使用808 nm激發激光獲得H2O、核和核殼RENPs的熒光成像（1000 nm長通濾光片）。g 808 nm激光下OA修飾的Nd-RENPs和PEGylated Nd-RENPs的熒光發射光譜。

核心RENP（NaGdF4:5%Nd）和核殼RENP（NaGdF4:5%Nd@NaLuF4）的平均直徑分別約為14.7±1.9和25.7±2.3 nm（圖1b-d）。如圖1e光譜所示，在808nm激光激發下，NaGdF4:5%Nd RENPs和NaGdF4:5%Nd@NaLuF4 RENPs在NIR-II區域具有兩個發射峰（1060和1340 nm）。在1060 nm下，同濃度的NaGdF4:5%Nd@NaLuF4的熒光強度比NaGdF4:5%Nd高3.4倍，可歸因于NaLuF4外殼有效降低Nd3+離子的非輻射轉變過程。相同結果也通過熒光成像得以證實（圖1f）。然而，RENPs表面的油酸酯配體（OA）導致顆粒在水中的溶解度很低，這不利于其生物醫學應用。于是研究者采用了兩端分別為甲氧基和二磷酸基的聚乙二醇代替油酸酯配體，提高Nd-RENPs的水溶性和生物相容性。圖1g熒光光譜結果表明，表面改性后，1060 nm處的熒光強度降低了近4.2倍。這可能是配體交換過程破壞鈍化效果并暴露更多的表面缺陷，從而導致PL淬滅。

圖2: Nd-RENPs的體外毒性。a,b 孵育24 h后，通過MTT分析Nd-RENPs在4T1（a）和MCF-7（b）細胞系中引起的細胞毒性。c,d 通過顏色觀察（c）和分光光度法（d）評估Nd-RENPs的溶血活性

生物相容性對于成像探針的應用至關重要。本研究通過MTT和溶血率測定法研究了PEGylated NaGdF4:5%Nd@NaLuF4的潛在細胞毒性。圖2a和b顯示，即使Gd3+濃度高達200μg/mL，用Nd-RENPs處理24小時后，細胞存活（4T1和MCF-7細胞）也超過80%。此外，紅細胞的溶血率顯著低于5%，表明Nd-RENP具有顯著的血液相容性（圖2c,d）。

圖3: 基于NIR-II的Nd-RENPs體內成像。a,b Nd-RENP給藥后4T1荷瘤小鼠在1060和1340nm處的NIR-II成像。c,d通過1060和1340 nm處小鼠的NIR-II 熒光成像計算TBR和LBR。TBR=[（腫瘤平均熒光強度）-（背景平均熒光強度）]/[（正常組織的平均熒光強度）-（背景的平均熒光強度）]。LBR=[（肝臟平均熒光強度）-（背景平均熒光強度）]/[（正常組織的平均熒光強度）-（背景的平均熒光強度）] （n=3）

光學成像是一種很有前途的診斷方法，因為沒有輻射和高時間分辨率。因此，研究者構建了一個簡單的皮下荷瘤模型來評估Nd-RENPs在NIR-II區的成像性能。通過尾靜脈將Nd-RENPs（每Kg體重15mgGd3+）注射到含腫瘤小鼠體內后，在不同的時間點（15min，2，4，8和24h）獲取NIR-II熒光成像。圖3a和b表示注射后15分鐘后的熒光信號。注射后第4 h時，NIR-II熒光信號增強并達到值（圖 3c,d）。

圖4: Nd-RENPs的體內清除行為。Nd-REN給藥后仰臥裸鼠的NIR-II成像（比例尺：10 mm）。b肝臟中NIR-II熒光的定量分析（計算肝臟的半衰期為15.8小時）。c Nd-REN的血液循環行為（n=3）。

圖4a顯示了給藥后肝臟中熒光信號逐漸增加，并在4小時達到峰值。隨后，肝臟中的信號開始減少，注射72小時后不可見，表明幾乎所有顆粒都從肝臟中清除。肝臟中Nd-RENPs的體內半衰期計算為15.8小時（圖4b），這比以前報道的類似納米探針短得多。此外，圖4c揭示納米顆粒的血液半衰期約為10.5 min，這有助于體內快速清除。

圖5: Nd-RENPs的生物分布。a 在靜脈給藥后1、24、48和72 h處，主要器官的NIR-Ⅱ成像。b主要器官1.心臟,2.肝臟,3.脾臟,4.肺,5.腎,6.小腸,7.大腸和9.胃）和8.不同時間點糞便的NIR-II熒光強度的定量分析。（比例尺：10 mm，n=3）

在NIR-II區域通過熒光定量法對Nd-RENPs進行生物分布。結果表明，Nd-RENPs在給藥后主要分布在肝臟和脾臟中（圖5a,b）。肝臟和脾臟的信號隨著給藥時間的延長而顯著降低。注射后24 h肝臟的信號比1 h時低約5倍（圖5a，b）。

圖6: 荷瘤小鼠的體內MRI。a Nd-RENPs注射后乳腺腫瘤的MRI T1加權像（0，5，15，30，60，90，120和240 min，腫瘤用箭頭標注）

研究者獲得了載有乳腺腫瘤小鼠的MRI T1加權像，以評估Nd-RENPs在體內的雙模態成像能力。結果顯示（圖6），皮下腫瘤的MRI信號逐漸增大并向病變中心移動。

本研究開發了一種具有較高的生物相容性且可排泄的NIR-II稀土納米顆粒Nd-RENPs （NaGdF4:5%Nd@NaLuF4）。在NIR-II成像的幫助下，該納米顆粒能夠以高時空分辨率輔助腫瘤檢測，以進行術中識別和導航。同時，作為多功能納米探針，Nd-RENPs可以在術前提供全面的MRI信息。

參考文獻

Wei et al. Journal ofNanobiotechnology (2021) 19:369 .doi.org/10.1186/s12951-021-01112-y

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