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　　光學成像（Optical Imaging），由于其具有非侵入性、實時、快速反饋和高靈敏度的優點，在體內生物信息可視化中起著至關重要的作用。然而，由于復雜生物器官和組織中的內源性熒光團（黑色素，彈性蛋白，膠原蛋白，角蛋白，卟啉和黃素等）在外部輻射激發下會產生自發熒光，這使得活體熒光成像時的背景信號升高，從而限制成像時的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。因此，諸如生物發光成像（Bioluminescence Imaging）、化學發光成像（Chemiluminescence Imaging）、余暉發光成像（Afterglow Imaging）等不需要外部激發光的光學成像策略受到了極大關注。其中生物發光成像由于其優異的生物相容性尤為受人青睞。迄今為止，生物發光成像已被廣泛用于跟蹤細胞，監測基因表達，檢測生物活性小分子，腫瘤成像等領域。然而，常規的基于熒光素酶（Luciferase）的生物發光探針發射光往往位于可見光范圍（VIS，400 nm-700nm），這使得在將其應用于生物成像時會受到強大的組織吸收和散射干擾，因此難以獲得清晰的成像結果。

　　在過去的十年間，通過生物發光共振能量轉移（BRET）的策略，生物發光探針的發射波長已經被拓展到了具有較低組織吸收的近紅外第一窗口（NIR-I，700 nm-900 nm），并且獲得了一些具有高信噪比的成像結果。但散射效應仍然是一個障礙——在較大的組織深度下的近紅外第一窗口生物發光成像依然模糊。近年來的研究表明在近紅外第二窗口（NIR-II，1000-1700 nm）生物組織具有更小的吸收和散射。因此開發發射波長位于近紅外第二窗口（NIR-II，1000-1700 nm）的生物發光探針將能夠進一步提高生物活體成像的效果，具有重要的意義。在將生物發光過程中無需激發光源，具有高信噪比的特點與生物組織在近紅外第二窗口低吸收、低散射的優勢相結合后，近紅外第二窗口生物發光成像可以實現更高信噪比，更深組織（~1 cm），更高空間分辨率的活體光學成像。

　　近日，研究團隊報道了一種新型的生物發光探針可以用于高對比度的活體成像以及體內的ATP介導轉移腫瘤追蹤。團隊首先合成了一種新型七甲川菁染料FD-1029。該染料的發射波長位于近紅外第二窗口（1029 nm），且分子間具有較大的空間位阻，在較高濃度下不易發生聚集，能夠擁有較大的摩爾消光系數。在這基礎上，進一步通過生物發光共振能量轉移（BRET）和兩步熒光共振能量轉移（FRET）開發了發射光位于第二近紅外窗口的新型生物發光探針（NIR-II-Bioluminescence Probes, NIR-II-BPs）（圖1）。

圖1 近紅外第二窗口發光的生物發光探針的制備原理及其發光過程

　　該探針具有良好的生物相容性，成功應用于小鼠的血管和淋巴管的高質量成像。與相同條件下的近紅外第二窗口熒光成像以及常規生物發光成像相比較，其信噪比提高約5倍，空間分辨率提高約1.5倍。同時，由于這種能量傳遞策略的可調性，這類探針也能應用于多通道的活體標記成像。文中，作者們成功實現了荷瘤小鼠的腫瘤與瘤旁血管的多通道成像（圖2）。

圖 2 小鼠腫瘤和瘤旁血管的多通道成像以及小鼠下腹部淋巴系統的多通道成像

　　作者們進一步利用該探針對三磷酸腺苷（ATP）的特異性響應，結合腫瘤組織由于旺盛的新陳代謝往往具有較高的ATP的特點，成功實現了對腫瘤的高信噪比成像。在淋巴結轉移瘤的追蹤實驗中，作者對同一小鼠兩側淋巴節轉移瘤分別進行近紅外二區熒光成像和生物發光成像對比。結果表明，由于無需外加激發光源，近紅外二區生物發光成像能夠獲得高達83.4的腫瘤/正常組織信號比（Tumor to Normal tissue Ratio）——這一數值是熒光成像的33倍。

　　具有高穿透深度和高分辨率的光學成像技術對于在體的生物醫學影像具有重要的意義，長期以來一直是一個挑戰。這項工作證明了通過能量傳遞方式構建近紅外第二窗口生物發光探針（NIR-II-BPs）的可行性。這種自發光方式克服了在體成像過程中外部激發光的不利影響。從而能夠實現血管、淋巴管、腫瘤和轉移瘤的高分辨率成像。此外，通過選擇不同的發光團，這種方法也可以成為一種實現具有不同發射波長的生物發光的通用方法，用以滿足不斷增長的對高對比度多色成像及傳感需求。      

　　參考文獻:

　　Lingfei Lu, Benhao Li, Suwan Ding, Yong Fan*, Shangfeng Wang, Caixia Sun, Mengyao Zhao, Chun-Xia Zhao, Fan Zhang*.NIR-II Bioluminescence for In Vivo High Contrast Imaging and In Situ ATP-Mediated Metastases Tracing. Nat. Commun., 2020, 11, 4192.