腫瘤細胞內(nèi)葡萄糖的非氧化分解會導致細胞外氫離子（H ⁺ ）濃度升高，pH值降低。因此，弱酸性微環(huán)境作為腫瘤部位*重要和*常見的生理特征，被廣泛應用于實體腫瘤的體內(nèi)檢測。近年來，隨著比率熒光成像和多光譜光聲成像技術的發(fā)展，活體內(nèi)無創(chuàng)腫瘤pH可視化已經(jīng)得到了實現(xiàn)。然而，大多數(shù)活體pH傳感探針具有固定的pH檢測轉(zhuǎn)換點（pH _t ）和pH響應區(qū)間，導致靈敏的pH檢測只能在pH _t 周圍狹窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)，這阻礙了在不同微環(huán)境動態(tài)變化過程對腫瘤pH的高靈敏監(jiān)測。若要調(diào)整探針的pH _t 值，則需要對探針結構進行重新設計與合成，這大大加重了合成的工作量。

圖 1. （a）染料NAB與NRh的結構式。（b）比率熒光探針pTAS響應pH的機理示意圖。（c）pTAS探針pH t 調(diào)節(jié)示意圖。（d）活體檢測pH示意圖。

針對以上問題，某大學教授研究團隊基于近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）體系構筑了一系列pH值檢測轉(zhuǎn)換點可調(diào)的比率型熒光探針用于活體腫瘤微環(huán)境pH值的動態(tài)可視化監(jiān)測。相關研究論文“NIR-II pH Sensor with FRET Adjustable Transition Point for In Situ Dynamic Tumor Microenvironment Visualization”在線發(fā)表于《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(10), 5091-5095）。

通過構筑NIR-II有機染料FRET體系，獲得具有pH _t 與pH響應區(qū)間可調(diào)的比率型熒光探針（pTAS），實現(xiàn)了活體腫瘤pH的動態(tài)可視化監(jiān)測 。首先，作者設計合成了化學穩(wěn)定性良好的aza-BODIPY染料NAB作為能量供體，pH敏感的羅丹明-多甲川雜合染料NRh作為能量預受體，NRh在酸性條件下羅丹明結構發(fā)生開環(huán)反應，利用比率熒光信號的變化可對腫瘤pH進行原位定量檢測。合成探針的過程中，通過調(diào)節(jié)兩種染料的摩爾比例，可得到一系列pH t 分別為6.94、6.76和6.92的熒光探針。相較于傳統(tǒng)的具有固定pH t 的探針，pTAS具有相似的高檢測靈敏性能。根據(jù)腫瘤微環(huán)境pH值的變化范圍，可選擇具有相符響應區(qū)間的pTAS探針，實現(xiàn)腫瘤微環(huán)境pH下降（6.82-6.74）和上升（6.85-7.05）過程中的pH*可視化監(jiān)測。與標準電極檢測數(shù)值相比，檢測誤差在1%以內(nèi)。此外，通過合并pTAS的pH響應區(qū)間，活體腫瘤pH*可視化的范圍得到了2倍的拓寬（由6.38-6.94拓寬至6.11-7.22）。

圖 2. 比率熒光探針pTAS-2與pTAS-3在腫瘤部位pH下降（a，c）和上升（b，d）過程中對腫瘤部位pH的實時定量檢測。

這項工作充分利用了化學穩(wěn)定性良好的NAB有機染料分子與腫瘤微環(huán)境敏感的有機染料分子NRh構筑一系列pH響應的FRET活體NIR-II比率熒光探針，在實現(xiàn)探針pH _t 可調(diào)的同時有效避免了過多的有機合成工作。同時，此方法可進一步推廣至其他響應性能量供受體以構建NIR-II比率熒光傳感探針，在保持活體內(nèi)生物傳感高響應靈敏度的同時拓寬檢測范圍。

參考文獻:

Mengyao Zhao+, Jianbo Wang+*, Zuhai Lei, Lingfei Lu, Shangfeng Wang, Hongxin Zhang, Benhao Li, and Fan Zhang*.NIR-II pH Sensor with FRET Adjustable Transition Point for In Situ Dynamic Tumor Microenvironment Visualization. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(10), 5091-5095. 

| 儀器

近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST

NIR-II in vivo imaging system

文中利用近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST完成了小鼠活體腫瘤微環(huán)境pH的實時定量檢測。

該小動物活體成像系統(tǒng)功能強大，相機性能優(yōu)異，多款深度制冷的InGaAs近紅外相機可供選擇。檢測靈敏度高，可實現(xiàn)大視野以及局部小動物高信噪比和高分辨活體成像。開發(fā)的軟件功能一鍵操作，可實時反映儀器狀態(tài)，自動化控制，操控與圖像處理一體化，終身免費升級。同時該成像系統(tǒng)應用場景多樣化，可用于小動物近紅外二區(qū)寬場成像、全光譜成像、近紅外二區(qū)熒光壽命成像，且成像系統(tǒng)采用了模塊化設計，成像功能亦可進一步升級擴展X射線激發(fā)模塊、CT成像模塊、三維成像模塊、熱成像模塊、比率熒光測試、多通道成像與原位光譜測試等。該系統(tǒng)能夠應用于活體小動物熒光手術導航、臟器成像、腫瘤成像、血管成像、淋巴成像、體內(nèi)植入物的監(jiān)測、藥物追蹤與活體原位疾病檢測等研究。