AniView多模式動物活體成像系統(tǒng)助力創(chuàng)傷性腦損傷診斷和手術(shù)監(jiān)測研究
近日，青島科技大學化學與分子工程學院羅細亮團隊與中科院化學所荊莉紅團隊，聯(lián)合開發(fā)了一種用于創(chuàng)傷性腦損傷診斷/手術(shù)監(jiān)測的高穩(wěn)定、近紅外發(fā)射量子點。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在國際權(quán)威期刊《ACS Nano》（IF=17.1、一區(qū)top期刊）上。
創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）是導致傷害相關(guān)死亡的主要原因。在中度或重度TBI病例中，嚴重的顱內(nèi)血腫和逐漸加重的腦腫脹可能會導致腦疝和迅速死亡。在這種情況下，手術(shù)干預通常是清除占位性顱內(nèi)病變的首選治療方法。然而，手術(shù)治療常伴有潛在并發(fā)癥，如腦挫傷擴大、新血腫形成或腦積水。外科醫(yī)生必須在決定進行手術(shù)前，仔細平衡這些風險和收益，并為患者提供詳盡的咨詢。在這種情況下，全面和持續(xù)的監(jiān)測對于避免TBI后的病情惡化至關(guān)重要。例如，出血后需要使用血壓藥物和止血措施，當藥物干預無法降低顱內(nèi)壓時，手術(shù)干預將是必需的。因此，開發(fā)一種可靠的監(jiān)測策略，對于TBI的手術(shù)管理至關(guān)重要。這包括評估外部頭部損傷是否與內(nèi)部損傷一致，早期檢測任何繼發(fā)性損傷，以及確保手術(shù)中準確清除血塊等。這樣的策略應及時建立理想的臨床干預條件，并為有效執(zhí)行減壓手術(shù)提供精確指導。
近年來，由于光學成像技術(shù)的無創(chuàng)性、高靈敏度和實時反饋潛力，它在可視化體內(nèi)疾病方面受到了重視。尤其是基于半導體量子點（QD）的熒光成像策略，因其卓越的光學特性而備受關(guān)注。之前的研究中，基于QD的熒光成像策略已被用于診斷和治療TBI。然而，臨床上仍然需要一種全面的基于QD的TBI診斷和管理方案，能夠評估患者狀況，指導治療決策，并有效提供術(shù)中和術(shù)后支持。
三元I-III-VI QD（如銀銦硒化物）因避免使用有毒元素（如鎘、鉛和汞），具備更好的生物相容性，已成為有力的替代選擇。此外，它們較窄的體帶隙使其光致發(fā)光可調(diào)諧至NIR光譜區(qū)域，有利于在生物組織中的穿透性。不幸的是，I-III-VI QD的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）遠低于其二元對應物，這需要改進以滿足實際應用。半導體殼（如硫化鋅ZnS）的外延生長已被廣泛用于提高PLQY和改善QD的穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)的ZnS殼在光照下常在生物環(huán)境中逐漸降解，影響其在生物醫(yī)學成像中的使用。
在本研究中，通過鋁摻雜提高ZnS涂層的穩(wěn)定性，以確保穩(wěn)定的信號采集，直接從水相制備了具有NIR發(fā)射和可見-NIR激發(fā)的穩(wěn)健且生物相容的QD。在預制的銀銦硒化物核上，通過分別使用軟硬路易斯堿平衡作為路易斯酸的高反應性陽離子，鋁離子被原位摻雜到ZnS殼中，從而提高了QD在光照射下或復雜生物環(huán)境中的NIR光致發(fā)光穩(wěn)定性。此外，通過用聚乙二醇（PEG）修飾QD表面，使其能夠逃避網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)（RES）的快速清除，實現(xiàn)長時間的血液循環(huán)。注射后，QD可以通過血液輸送并積聚在腦部創(chuàng)傷區(qū)域，從而實現(xiàn)精確的TBI診斷。更重要的是，通過實施完善的成像手段，當前基于QD的成像策略有望建立全面的診斷和管理工作流程，包括：（1）區(qū)分顱內(nèi)和表面出血；（2）實時監(jiān)測繼發(fā)性出血；（3）指導顱內(nèi)血腫的適當清除。因此，工程化的QD可以為TBI手術(shù)干預提供實時的術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后指導，從而幫助優(yōu)化臨床決策。
圖1. 水相直接合成的高穩(wěn)定、近紅外發(fā)射鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點，利用近紅外熒光成像技術(shù)為創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）的手術(shù)治療提供綜合診斷和管理范式，包括但不限于顱內(nèi)出血（ICH）和淺表出血（SFH）的區(qū)分、繼發(fā)性損傷的檢測、以及血腫引流手術(shù)的術(shù)中監(jiān)控。
圖2. 基于近紅外發(fā)射、聚乙二醇修飾的鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點實現(xiàn)TBI精準在體/離體可視化評估。
圖3. 基于量子點的TBI可視化策略在不同臨床場景下的應用。
研究中，使用了廣州博鷺騰生物科技有限公司AniView多模式動物活體成像系統(tǒng)，進行了活體熒光成像和器官熒光成像（圖2）。實驗表明，經(jīng)尾靜脈注射給藥后，鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點可以迅速通過血液循環(huán)遞送至腦組織，并特異性聚集于TBI小鼠的腦部創(chuàng)傷區(qū)，實現(xiàn)腦創(chuàng)傷的活體、實時可視化檢測。在體成像結(jié)束后，將腦組織取出，離體腦組織成像和病理分析結(jié)果顯示，與正常腦組織相比，量子點能夠高度選擇性地聚集于腦損傷區(qū)，高靈敏地區(qū)分損傷區(qū)和正常組織。
本工作模擬了三種常見的臨床場景：1）顱內(nèi)和淺表出血；2）繼發(fā)性出血；3）顱內(nèi)血腫手術(shù)清除，并通過廣州博鷺騰生物科技有限公司多模式活體成像系統(tǒng)，對量子點進行實時可視化檢測（圖3）。在體成像結(jié)果表明，通過近紅外光學成像，可以顯著區(qū)分損傷是否位于顱內(nèi)，實時監(jiān)測二次出血的發(fā)生位置和范圍，并確認血腫是否被有效清除。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c03123
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