上转换荧光探针辅助的光学成像技术在肿瘤显影中的应用研究进展
海热古·吐逊, 郭乐, 丁嘉仪, 周嘉琪, 张学良, 努尔尼沙·阿力甫
无机材料学报
2025, 40 ( 2):
145-158.
DOI:10.15541/jim20240058
肿瘤的早期诊断是癌症高效诊疗的关键基础。可视化荧光成像技术凭借其高时间-空间分辨率、高灵敏度、无电离辐射、无创和实时成像等优点, 在生物医学领域尤其是肿瘤的早期诊断中展现出巨大应用潜力。与可见光相比, 近红外(Near-infrared, NIR)光穿透生物组织时, 其受到的吸收和散射显著减少, 这一特性使得基于NIR光的荧光成像技术在生物医学领域展现出高信噪比及高空间分辨率的独特优势, 而高质量NIR荧光成像依赖于性能卓越的荧光探针。在众多荧光探针中, NIR光激发的上转换纳米颗粒(Upconversion Nanoparticles, UCNPs)因其低毒性、窄带发射、可调发射、长荧光寿命、良好的光化学稳定性以及高量子产率等优异特性, 在荧光成像领域脱颖而出。本文总结了上转换荧光探针的基本原理、合成方法、改性与修饰技术, 重点阐述了稀土掺杂上转换荧光探针在几种典型成像模式及肿瘤多模态成像中的最新研究进展, 并对进一步实现诊疗一体化的应用研究进行了展望。
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图7
含镧系元素Yb (a)和Lu (b)的UCNPs用作CT成像造影剂[56-57]
正文中引用本图/表的段落
目前, 基于Lu3+和Gd3+的UCNPs, 如NaLuF4、Ba2GdF7: Yb3+, Er3+@PEG等已成功应用于CT/UCL双模态成像[51-52]。镧系元素中Lu3+的原子序数最高, 使得NaLuF4 UCNPs有望作为CT造影剂的最优选择[53-54]。高原子序数意味着更高的电子密度和对X射线更强的吸收能力, 因此NaLuF4 UCNPs在CT成像中能够提供更加清晰、对比度更高的图像信息。进一步地, Xing等[55]制备了尺寸约为50 nm的NaY/GdF4: Yb, Er, Tm@SiO2-Au复合纳米体系, 其用作新型CT造影剂时, CT值高达50 HU, 有望进一步推动CT成像技术的发展。Liu等[56]首次开发了基于Yb的UCNPs CT造影剂, 他们发现所制备的UCNPs具有较低的细胞毒性和较长的体内循环时间。更为重要的是, 与目前临床使用的碘化剂造影剂相比, 其在不同温度下均能保持较强的X射线吸收, 从而排除温度波动的干扰, 表现出稳定的成像分辨率(图7(a))。此外, Dai等[57]另辟蹊径制备了对NIR-II响应的UCNPs, 并将其应用于CT成像, 也取得了较理想的多模态成像效果(图7(b))。以上几例研究成果证实UCNPs在生物医学CT多模态成像领域具有广阔的应用前景。
(a) Fluorescence image under 740 nm Gaussian beam excitation and (b) differential interference contrast image of actin protein in HeLa cells immunolabeled with phalloidin conjugated NaYF 4: Nd nanoparticles; (c, f) Magnified areas and (d, g) super-resolution images under co-irradiation with 740 nm Gaussian beam and 1064 nm donut-shaped beam from white-dotted squares in (a); (e, h) Analyses of line profiles, indicated with white arrows in (c, d), as well as in (f, g), respectively; (i) Photon counts recorded with and without co-irradiation of 1064 nm donut-shaped beam with insets showing the corresponding images with the measured positions marked with white crosses ... Incorporation of computed tomography and magnetic resonance imaging function into NaYF4: Yb/Tm upconversion nanoparticles for in vivo trimodal bioimaging 1 2013 ... 目前, 基于Lu3+和Gd3+的UCNPs, 如NaLuF4、Ba2GdF7: Yb3+, Er3+@PEG等已成功应用于CT/UCL双模态成像[51-52].镧系元素中Lu3+的原子序数最高, 使得NaLuF4 UCNPs有望作为CT造影剂的最优选择[53-54].高原子序数意味着更高的电子密度和对X射线更强的吸收能力, 因此NaLuF4 UCNPs在CT成像中能够提供更加清晰、对比度更高的图像信息.进一步地, Xing等[55]制备了尺寸约为50 nm的NaY/GdF4: Yb, Er, Tm@SiO2-Au复合纳米体系, 其用作新型CT造影剂时, CT值高达50 HU, 有望进一步推动CT成像技术的发展.Liu等[56]首次开发了基于Yb的UCNPs CT造影剂, 他们发现所制备的UCNPs具有较低的细胞毒性和较长的体内循环时间.更为重要的是, 与目前临床使用的碘化剂造影剂相比, 其在不同温度下均能保持较强的X射线吸收, 从而排除温度波动的干扰, 表现出稳定的成像分辨率(图7(a)).此外, Dai等[57]另辟蹊径制备了对NIR-II响应的UCNPs, 并将其应用于CT成像, 也取得了较理想的多模态成像效果(图7(b)).以上几例研究成果证实UCNPs在生物医学CT多模态成像领域具有广阔的应用前景. ... Surfactant-free aqueous synthesis of novel Ba2GdF7: Yb3+, Er3+@PEG upconversion nanoparticles for in vivo trimodality imaging 2 2017 ... 目前, 基于Lu3+和Gd3+的UCNPs, 如NaLuF4、Ba2GdF7: Yb3+, Er3+@PEG等已成功应用于CT/UCL双模态成像[51-52].镧系元素中Lu3+的原子序数最高, 使得NaLuF4 UCNPs有望作为CT造影剂的最优选择[53-54].高原子序数意味着更高的电子密度和对X射线更强的吸收能力, 因此NaLuF4 UCNPs在CT成像中能够提供更加清晰、对比度更高的图像信息.进一步地, Xing等[55]制备了尺寸约为50 nm的NaY/GdF4: Yb, Er, Tm@SiO2-Au复合纳米体系, 其用作新型CT造影剂时, CT值高达50 HU, 有望进一步推动CT成像技术的发展.Liu等[56]首次开发了基于Yb的UCNPs CT造影剂, 他们发现所制备的UCNPs具有较低的细胞毒性和较长的体内循环时间.更为重要的是, 与目前临床使用的碘化剂造影剂相比, 其在不同温度下均能保持较强的X射线吸收, 从而排除温度波动的干扰, 表现出稳定的成像分辨率(图7(a)).此外, Dai等[57]另辟蹊径制备了对NIR-II响应的UCNPs, 并将其应用于CT成像, 也取得了较理想的多模态成像效果(图7(b)).以上几例研究成果证实UCNPs在生物医学CT多模态成像领域具有广阔的应用前景. ...
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