本文要点：近红外二区b窗口（NIR-IIb）可实现“深组织透明”荧光成像，其优势在于显著降低光子散射、水吸收及自体荧光干扰。半导体聚合物纳米颗粒（SPNs）作为NIR-II荧光造影剂已被广泛研究，但现有文献对其在长激发波长条件下的NIR-IIb窗口（1500-1700 nm）成像能力鲜有报道。本文首次合成并命名为L1057的纳米颗粒（NPs）凭借超高亮度和宽发射光谱特性，能产生强烈的NIR-IIb信号；更重要的是，通过优化915 nm激发波长（该波长具有高质量消光系数和低水吸收特性），同步提升了L1057 NPs的成像性能。基于此，L1057 NPs被成功应用于多维生物成像，在NIR-IIb窗口实现了卓越的空间分辨率和深层成像。该研究表明，通过调控激发波长与发射窗口，可充分释放L1057 NPs作为NIR-IIb荧光探针的潜力。

方案1. 同时操纵L1057 NPs激发波长和发射窗口以获得高质量成像的示意图

图1A展示了PTQ的化学结构及L1057 NPs的组装示意图。PTQ通过先前报道的钯催化Stille偶聚反应合成——以4,9-二溴-6,7-双(4-己氧基苯基)-[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉与6,6,12,12-四(4-己基苯基)-s-茚并二噻吩并[3,2-b]噻吩-双(三甲基锡烷)为原料。随后采用DSPE-PEG2000作为基质包裹PTQ形成L1057 NPs以增强生物相容性。该纳米颗粒在910-940 nm波长区间呈现吸收平台（质量消光系数约23 L/(g·cm)），并在NIR-II1057 nm处具有强发射峰（量子产率1.25%）（图1B）。如图1B所示，L1057 NPs的发射尾端可延伸至1700 nm，在980 nm激发下可获得明亮的NIR-IIb图像。为突显其特性，本文将L1057 NPs与已报道的NIR-IIb荧光团（包括TT3-oCB NPs（AIE）和ICG）在相同激光功率与曝光时间下进行对比。结果显示L1057 NPs的NIR-IIb荧光强度显著优于对照组（见图S1），表明其是优异的NIR-IIb生物成像候选材料。

通过脂肪乳仿体实验验证L1057 NPs的成像可行性发现：荧光信号随1%脂肪乳溶液厚度增加而衰减（图1C）。在NIR-IIb窗口中，L1057 NPs的信背比（SBR）始终优于NIR-II/NIR-IIa窗口（图1D）。半峰全宽（fwhm）分析显示：无脂肪乳溶液时，毛细管在不同成像窗口的特征宽度相近（NIR-II 291±13.7 μm，NIR-IIa 258.3±9.1 μm，NIR-IIb 240.6±4.8 μm）；但当穿透深度达5 mm时，NIR-II/NIR-IIa窗口的fwhm分别是NIR-IIb窗口的4.7倍/1.2倍（图1E）。这印证了NIR-IIb窗口因更低的光散射和近乎为零的自发荧光而成为理想检测窗口。体内实验进一步证实：在980 nm激发下，L1057 NPs在NIR-IIb窗口始终获得最优成像质量（图1F），与体外结果高度一致。

图2. L1057纳米粒子激发波长的优化

为确定最佳激发波长以获得更优成像质量，再次采用1%脂肪乳仿体模型，分别使用793 nm、915 nm和980 nm三种激发波长（保持相同功率密度5 mW/cm²）进行测试，并比较其归一化强度与信背比（SBR）。实验采用1000 nm长通滤光片采集荧光信号，通过归一化荧光强度及分析不同穿透深度与检测窗口下的SBR发现：随着穿透深度增加，荧光强度与SBR均逐渐降低，但915 nm激发的毛细管始终表现出最高荧光强度与最优SBR——即使在6 mm深度下仍能清晰分辨（图2A-C）。相较于其他两种波长，915 nm激发可获得更高荧光强度与更好SBR的原因在于：虽然组织光散射与波长成反比，但915 nm处水吸收强度比980 nm低3.6倍；此外考虑到L1057 NPs在915 nm处的消光系数高于793 nm和980 nm，该波长应作为高质量荧光成像的优选激发波长。

体内全身成像实验同样验证了这一结论：在NIR-IIb窗口下，三种激发波长（793/915/980 nm）的对比显示，915 nm激发的成像能呈现最清晰、最深层的血管分层结构（图2D）。基于此，采用915 nm作为优化激发激光，成功实现了小鼠脑血管的NIR-II共聚焦显微成像，兼具优异光学切片能力与高SBR。图2E展示了196 μm、268 μm、352 μm和300 μm深度处的代表性共聚焦图像（上排），以及沿黄线的荧光强度分布曲线与高斯拟合结果（下排），其穿透深度可达600 μm（图S3）。因此，本研究后续所有成像实验均统一采用915 nm作为激发波长。

图3. 使用L1057 NPs作为对比剂，使用不同LP过滤器实时动态成像活体小鼠的全身血管

为验证L1057 NPs作为NIR-IIb造影剂在活体实时动态荧光成像中的能力，研究者分别在NIR-II和NIR-IIb窗口对小鼠进行全身成像实验。静脉注射L1057 NPs（200 μL，1 mg/mL）后，在不同时间点对麻醉裸鼠进行NIR-II荧光全身成像系统观测。结果显示血管内荧光信号可持续检测长达9小时（图3A），证实其具有优异的体内循环时长与化学稳定性。通过对同一毛细血管截面强度分布进行高斯拟合分析发现：NIR-II窗口下血管半峰全宽（fwhm）为0.321 mm，而NIR-IIb窗口下仅0.183 mm（图3B、3C）。此外，各时间点NIR-IIb窗口的信背比（SBR）均显著高于常规NIR-II窗口（图3D）。这些结果表明，NIR-IIb窗口可能更适合长期活体血管造影及相关示踪研究，因其能提供比NIR-II窗口更高的空间分辨率与信背比。

图4. 后肢缺血再灌注的实时荧光成像

为验证L1057 NPs作为NIR-IIb造影剂在活体模型中实时追踪肢体缺血再灌注的能力，研究者通过止血夹结扎股动静脉2小时建立小鼠后肢缺血模型；静脉注射L1057 NPs（200 μL，1 mg/mL）后，依次解除左右后肢止血夹，并分别在NIR-II与NIR-IIb窗口连续监测再灌注过程。通过分析后肢血管末端（EHV）的信背比（SBR）与再灌注血管比率（HVR）发现：NIR-IIb窗口可精准呈现血管再灌注动态（传统NIR-II窗口因缺血再灌注损伤的高背景干扰无法清晰成像），其中EHV的SBR通过图4B黄线标注区域信号计算，HVR则依据造影增强血管长度与总血管长度的比值确定；该技术凭借实时反馈能力和显著提升的成像质量，为活体瞬时血流再灌注监测提供了新方案。

图5. 荧光脑血管成像

最新研究表明，异常血管增生或退化在神经系统疾病发病机制中起关键作用，因此解析脑血管结构对理解脑血管功能障碍相关疾病的病理机制至关重要。本研究评估了L1057 NPs用于NIR-IIb宽场脑血管成像的可行性：通过静脉注射L1057 NPs（200 μL，1 mg/mL）至无损皮肤和颅骨的对照组，发现NIR-IIb成像较传统NIR-II成像能呈现更清晰、更精细的血管网络；高斯拟合分析显示NIR-IIb窗口下中等血管的半峰全宽（FWHM）更小且信背比（SBR）更高（图5A）。进一步对开颅窗实验组进行200 μm深度的脑部微血管显微成像表明，NIR-IIb窗口在相同目标脑血管（红框标记）的SBR和空间分辨率方面均显著优于NIR-II窗口（图5B-D），证实使用L1057 NPs进行脑血管成像时应优先选择NIR-IIb荧光模式。

图6. 胃肠道荧光显像

基于前期研究证实L1057 NPs在全身及脑血管NIR-IIb成像中的卓越性能以及在强酸性环境（如pH=1）中的出色化学稳定性，本文进一步评估了其对胃肠功能的监测能力：通过口服灌胃针将L1057 NPs（50 μL，1 mg/mL）注入健康裸鼠体内后，采用不同长通滤光片（1000 nm和1500 nm）在不同时间点采集荧光信号。结果显示（图6A），灌胃后5分钟、5小时、9小时和20小时可依次观察到胃-十二指肠、空回肠和结肠的清晰成像；虽然传统NIR-II窗口也能检测到胃肠道，但图像模糊且空间分辨率低，而NIR-IIb窗口不仅背景干扰可忽略不计，还能分辨高分辨率的组织特征（图6B放大图像更直观展示这一优势）。定量分析表明（图6C），肠道截面的高斯拟合半峰全宽在NIR-IIb窗口为3.53 mm（SBR=5.23），显著优于NIR-II窗口的5.98 mm（SBR=1.81），证实L1057 NPs辅助的NIR-IIb荧光成像技术能精准可视化深部腹部组织，为无创评估胃肠相关疾病提供了理想平台。

图7. 肿瘤进展的荧光成像

活体肿瘤动态追踪成像对理解肿瘤进展机制至关重要。基于L1057 NPs此前研究中表现出的显著肿瘤标记能力（源自增强渗透滞留效应/EPR效应），本研究通过将OSRC2细胞皮下注射至BALB/c裸鼠前肢腋窝建立肾细胞癌（RCC）移植瘤模型，并按肿瘤生长时间划分早（2周，肿瘤初始状态）、中（4周，体积>200 mm³）、晚（>6周，出现恶病质）三期，进一步评估其在NIR-IIb窗口监测肿瘤进展的能力。尾静脉注射L1057 NPs（200 μL，1 mg/mL）2小时后，肿瘤部位因EPR效应呈现明亮荧光信号（图7A-C），且从I期到III期可见血管网络复杂度与密度逐渐增加；得益于NIR-IIb成像优势，其空间分辨率显著高于NIR-II窗口，肿瘤/正常组织信号比（T/TN）亦明显提升（图7D-F）。值得注意的是，无论何种成像窗口，T/NT比值均随肿瘤进展而升高，表明L1057 NPs更易在晚期肿瘤富集。鉴于肿瘤生长高度依赖血供，高分辨无创血管成像能提供血管形态、长度及渗漏特性等关键信息，本研究不仅检测到1-2条连接肿瘤的异常血管（III期还观察到大量微小肿瘤血管），更通过NIR-IIb窗口清晰呈现了传统窗口难以捕捉的肿瘤血管细节（图7G-I），这些发现为理解肿瘤不同发展阶段特征及疗效评估提供了新视角，证实NIR-IIb是L1057 NPs肿瘤成像的最佳窗口。

本研究通过协同优化激发波长（915 nm）与发射窗口（NIR-IIb），将L1057 NPs确立为突破性造影剂，在多种生物模型中实现超高空间分辨率、成像深度及信背比；其915 nm激发机制可最小化水吸收与光子散射，结合纳米颗粒自身超亮宽谱特性，成功实现从脑血管重塑到肿瘤血管生成等动态生理过程的实时追踪，并在超低激光功率（120 mW/cm²）和短曝光（100 ms）条件下，利用NIR-IIb窗口的近零自体荧光与弱散射优势，完成深部组织（如胃肠动态及缺血再灌注）的无创高清成像。未来需通过分子工程红移SPNs发射光谱、结合AI多通道解析提升组织穿透性，开发可调控药代动力学的规模化SPNs合成工艺以推进器官靶向临床转化，并将该成像技术与机器人手术整合；同时通过激子限制策略突破量子产率限制，构建SPNs诊疗一体化平台，弥合肿瘤同步成像/光疗的临床转化鸿沟。

参考文献

Xue D, Zhou H, Abudureheman Z, et al. 915 nm Laser Excited Semiconducting Polymer Nanoparticles for High-Resolution and Large-Depth NIR-IIb Bioimaging[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025, 17(28): 41080-41092.

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsami.5c07563

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