NIR-II半导体聚合物点：链堆积调节和深部组织中的高对比度血管成像

近红外二区（NIR-II）窗口的荧光成像正在商量血管组织和血管天生方面惹起了人们的极大风趣，为早期疾病的准确诊断供给了有代价的消息。然而，因为荧光团的强光子散射和低荧光亮度，对深层结构中的小血管成像已经具有寻事性。本文描绘了作家正在荧光探针安排和图像算法开垦方面的协同勤苦。最先，运用凑集物共混计谋来调剂大型刚性NIR-II半导体凑集物的链堆集手脚，以形成紧凑明亮的凑集物点（Pdots），这是小血管体内荧光成像的先决条款。进一步开垦了一种保守的Hessian矩阵法子来巩固血管组织的图像比照度，出格是小血管和弱荧光血管。与原始图像比拟，正在全身小鼠成像中得回的巩固的血管图像正在信噪比（SBR）方面出现出突出一个数目级的改革。操纵明亮的Pdots和Hessian矩阵法子，作家最终举办了颅骨NIR-II荧光成像，并正在率领脑肿瘤的小鼠和大鼠模子中得回了高比照度的脑血管体例。Pdots探针开垦和成像算法巩固的商量为深层结构的NIR-II荧光血管成像供给了一种很有前景的法子。

图1.（a）NIR-II半导体凑集物的分子组织。（b）由纯NIR-II半导体凑集物制备的集中体或线状凑集物纳米组织的TEM图像。（c）通过将短刚性半导体凑集物与NIR-II半导体凑集物共混取得小球形Pdots的TEM图像。

最先，作家商量了由两组氟庖代的半导体凑集物制备的NIR-II Pdots的巨细和形式，纯粹的NIR-II凑集物纳米颗粒是通过再重淀法制备的，透射电子显微镜(TEM)侦查纳米粒子显露大尺寸和线状形式。通过混淆NIR-II凑集物和CN-PPV得回的Pdots的巨细和形式发作了明显转移。从TEM图像可能看出，悉数六品种型的混淆Pdots均出现出小尺寸和球形形式，与纯CN-PPV Pdots肖似。CN- PPV凑集物正在Pdots酿成经过中具有协同效应，迫使大的刚性凑集物主链折叠并扭曲NIR-II凑集物的链堆集，从而酿成小尺寸的球形形式。这解释混淆具有小共轭长度的古板半导体凑集物是制备小尺寸球形NIR-II Pdots的牢靠计谋。

图2. m-PBTQ4F Pdots与差异比例的(a)PSMA凑集物、(b) PS-PEG-COOH凑集物和(c) CN-PPV凑集物混淆的TEM图像。

试验证据，只要共轭凑集物，能力有用调剂NIR-II半导体凑集物的链堆集手脚，形成小球形的Pdots。作家商量了差异质地分数的NIR-II凑集物m-PBTQ4F别离与PSMA、PS-PEG-COOH和CN-PPV共混制得的纳米粒子的形式转移。看待PSMA和PS-PEG-COOH，所取得的大无数纳米颗粒都呈短丝状形式。固然通过共混(1：1比例)可能减小粒子的尺寸，但粒子的尺寸漫衍很大，正在透射电子显微镜中仍侦查到局限卵形的纳米粒子。相反，当m-PBTQ4F与CN-PPV混淆时，跟着CN-PPV分数的填补，侦查到了向单分袂球形Pdots的昭着形式演变。这些结果解释，共混刚性共轭凑集物可能有用调剂NIR-II半导体凑集物的链堆集，取得致密的球形Pdots，而柔性两亲凑集物没有雷同的成绩。

图3. (a)聚乙二醇化CN-PPV Pdots、m-PBTQ4F Pdots和 (b) 聚乙二醇化m-PBTQ4F/CN-PPV混淆Pdots的罗致和发射光谱。(c)聚乙二醇化m-PBTQ4F/CN-PPV Pdots的流体动力学直径和TEM图像。(d)正在808 nm一口气辐射下ICG和Pdots正在相通质地浓度的水中的光巩固性。

为了使Pdots具有更长的血液轮回时候，将m-PBTQ4F和CN-PPV凑集物构成的小尺寸Pdots进一步用两亲性PS-PEG-COOH官能化。侦查三品种型Pdots的罗致和发射光谱，浮现混淆Pdots的罗致光谱与纯m-PBTQ4F和CN-PPV Pdots的罗致光谱一概。另外，混淆的Pdots正在可睹光和NIR-II区域显示出双发射峰。动态光散射(DLS)衡量和TEM结果显示，混淆的Pdots呈球形，流体动力学直径约为20 nm。以临床照准的染料ICG为对比，对Pdots的光巩固性举办了外征，正在808 nm激光连接映照2 h下，Pdots的荧光连结切近原始强度的88%，而ICG正在10 min内齐备光漂白，解释Pdots具有优异的光巩固性。与差异浓度的Pdots孵育24小时后的细胞存活率测定显示，Pdots的细胞毒性最小，静态溶血试验结果显示，Pdots的溶血活性可马虎不计。另外，正在打针Pdots的小鼠的首要器官的苏木精和伊红(H&E)染色图像中未侦查到昭着十分。总之，这些结果解释聚乙二醇化m-PBTQ4F/CN-PPV Pdots是具有高亮度、光巩固性和生物相容性的小尺寸探针，希望用于体内成像行使。

图4. (a)用于血管图像破裂的Hessian矩阵法子示图谋。(b)俯卧位收集的小鼠NIR-II荧光图像与(c)横截面强度漫衍。(d)仰卧位收集的小鼠NIR-II荧光图像与(e)横截面强度漫衍。

首前辈行预措置以控制图像中的靠山信号并巩固血管的几何特性。进一步计算一系列的标准因子，构制了腻滑的高斯核，然后与图像举办卷积，取得Hessian矩阵的元素。然后，思考管状组织的整个情形，推导出Hessian矩阵的特性值，最终取得血管巩固图像。

作家通过运用Pdots探针和Hessian矩阵法子呈现了活小鼠的高比照度全身血管成像。。正在静脉打针Pdots探针的小鼠的NIR-II荧光图像中，固然打针的Pdots属于最亮的荧光团，但原始图像中简直无法将荧光信号较弱的小血管与方圆靠山辨别开，经Hessian矩阵法措置后，原始图像中的很众小直径血管和朦胧血管均取得昭着巩固。从仰卧位的统一只小鼠的原始图像和巩固图像中，血管组织昭着巩固，而来自肝脏的信号受到控制，由于该法子只可提取具有管状组织的标的。图像措置后两条小血管的SBR较原图像巩固了约13倍，注解Hessian矩阵算法看待进步全身荧光血管成像中弱小荧光血管的SBR有很强的成绩。

图5. 颅骨和头皮完全的小鼠的脑脉管体例的体内NIR-II荧光图像。(a)野生型C57BL/6小鼠和ND2:SmoA1小鼠的脑脉管体例NIR-II荧光图像以及(b)放大图像。(c)运用血管破裂和量化算法，对野生型和荷瘤小鼠的脑血管体例中的血管长度和血管分支举办定量比力。

接下来，作家运用NIR-II Pdots和Hessian矩阵法追求了小鼠脑深部结构血管成像。对寻常小鼠和率领脑肿瘤的转基因ND2:SmoA1小鼠举办了头皮和颅骨脑部成像。与野生型动物比拟，因为肿瘤的生长，ND2:SmoA1小鼠显示出更扭曲和错乱的脑脉管体例，从原始荧光图像中很难识别横窦和小直径血管的轮廓，经Hessian矩阵法图像措置后，原始图像中众条小血管昭着巩固，横窦组织懂得。为了评估肿瘤成长中的血管形式，还定量阐述了血管长度和血管分支，这些正在原始图像中是无法得回的，由于它们的图像比照度低。从巩固图像中提取的血管长度和血管分支统计阐述解释，转基因脑肿瘤小鼠的这两个参数均明显高于野生型小鼠。血管形式的定量评估为商量肿瘤血管天生和诊断肿瘤恶性供给了一种有用法子。

图6. 切除肝脏中血管的离体成像。(a)打针NIR-II Pdots时代肝脏中血管树的原始和巩固图像以及(b)放大图像。(c)切除肝脏的照片。(d)从Pdots打针扫数经过的NIR-II图像中得回的血管长度和(e)血管分支。(f)沿(b)中白色虚线符号的地方强度漫衍。

接下来，进一步注明了运用NIR-II Pdots和Hessian矩阵法子正在体外可视化大鼠肝脏血管组织的可行性。因为肝结构的强散射和罗致以及肝血管的丰富组织，肝血管成像是一项丰富的劳动。原始图像正在高度浑浊的肝结构中显示出至极弱的荧光信号，而Hessian-matrix巩固图像显示出高得众的SBR，肝血管成像中SBR的20倍以上巩固。这些结果验证了Hessian矩阵用于血管成像的有用性，并为商量肝脏疾病中血管组织的生长供给了用具。

图7. (a)颅骨完全的SD大鼠的脑脉管体例的体内NIR-II荧光图像和Hessian基质巩固图像与(b)横截面强度漫衍。(c)大鼠切除的脑结构的亮场和荧光图像。(d) H&E染色图像。(e)强壮大鼠和荷瘤大鼠脑切片荧光图像。

结尾，作家追求了大鼠模子华夏位成胶质细胞瘤的颅骨内脑血管成像。因为颅骨更厚且光子散射更强，因而将大鼠脑可视化比将小鼠脑可视化更具寻事性。图像经Hessian矩阵法措置后，原始图像中的小直径血管昭着巩固，脑血管组织加倍懂得可睹且巩固图像中的SBR有昭着改革，与小鼠脑和肝血管成像结果一概。另外，举办离体NIR-II荧光成像，正在来自差异组的切除的脑器官的亮场和荧光图像中，模子组肿瘤部位可睹亮荧光，而对比组和假组未检测到昭着信号。该结果解释，因为排泄性和滞留性巩固(EPR)效应，Pdots正在脑肿瘤中有用蓄积。对比组和荷瘤组脑切片的H&E染色图像，证据了脑中肿瘤的生长。除了链式堆集调制时，CN-PPV凑集物的混淆也授予Pdots橙色发射，从而或许通过老例共焦成像对结构切片举办显微镜检讨，脑切片的共焦荧光图像解释Pdots正在脑肿瘤中昭着储存。总之，这些结果注明了运用NIR-II荧光Pdots和Hessian矩阵法举办的大鼠脑高比照度颅骨血管成像。

总结：作家安排了荧光Pdots而且开垦了一种图像算法，用于小动物的高比照度血管成像。作家提出了一种凑集物共混计谋，该计谋可能有用地调剂大的刚性NIR-II半导体凑集物的链堆集手脚，形成用于小血管体内荧光成像的致密明亮的Pdots。另外，作家开垦了一种有用的Hessian矩阵法子来巩固血管组织的图像比照度，出格是小的和弱荧光的血管。正在全身小鼠成像中，与原始图像比拟，巩固的血管图像正在SBR中出现出突出一个数目级的改革。进一步注明了运用NIR-II Pdots和Hessian矩阵法离体可视化大鼠肝脏血管组织的可行性。原始图像显示高度浑浊的肝结构的血管汇集至极朦胧，而Hessian矩阵图像正在肝血管成像中显示SBR巩固20倍以上。操纵明亮的Pdots和Hessian矩阵法，最终举办了颅骨内荧光成像，并正在荷脑肿瘤的小鼠和大鼠模子中得回了高比照度的脑脉管体例。本商量将成像算法与NIR-II荧光Pdots相维系，显示出其正在体内鼓动肿瘤血管天生及其他微轮回干系疾病定量成像与商量的潜力。

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