a, La estructura molecular de ICG. B, Ilustración esquemática de la transición del nivel de energía en HBA ASF. La activación térmica (flecha roja) actúa sobre la molécula en el estado fundamental con menor energía al principio y eleva la molécula a un nivel vibratorio más alto del estado fundamental, luego la molécula absorbe un fotón de longitud de onda larga (flecha rosa) para alcanzar el estado excitado, y finalmente emite un fotón de longitud de onda más corta (flecha naranja). C, Dependencia de la temperatura de los espectros ASF de ICG (800 nm - 900 nm) excitados por un láser CW de 915 nm. D, Imágenes de fluorescencia de un ratón con tumor que reflejan el aumento de la intensidad de ASF de ICG en el tumor de mama a medida que aumenta la temperatura. Crédito:por Jing Zhou, Fan de Xiaoxiao, Di Wu, Jie Liu, Yuhuang Zhang, Zikang Ye, Dingwei Xue, Mubin él, Liang Zhu, Zhe Feng, Andrey N. Kuzmin, Wen Liu, Paras N. Prasad, Jun Qian
Fluorescencia anti-Stokes (ASF) basada en absorción de banda caliente de verde de indocianina (ICG), mucho más brillante que la luminiscencia de nanopartículas dopadas con iones de tierras raras, fue observado y estudiado por científicos en China y Estados Unidos recientemente. Descubrieron que la ASF de ICG se puede utilizar para la tomografía y la medición de la velocidad del flujo sanguíneo de los vasos cerebrales, reflejando el cambio de temperatura, y lograr imágenes simultáneas de múltiples órganos, y tiene perspectivas de aplicación considerables en imágenes biológicas, detección e incluso traducción clínica.
Hay cuatro tipos comunes de fluorescencia anti-Stokes (ASF):(i) proceso de absorción multifotónica directa (MPA), (ii) proceso de conversión ascendente (UC) basado en la absorción de múltiples pasos a través de niveles de energía intermedios, (iii) proceso de fluorescencia retardada activada térmicamente (TADF), y (iv) proceso de absorción de banda caliente (HBA). La aparición de fluorescencia MPA generalmente requiere una intensidad de excitación extremadamente alta y generalmente se logra mediante el uso de láseres de pulsos de femto o picosegundos costosos. Procesos UC en nanopartículas dopadas con iones de tierras raras (UCNP), o UC basada en la aniquilación triplete-triplete (TTA), puede obtenerse mediante el uso de láseres de diodo de onda continua (CW) económicos. Sin embargo, la sección transversal de absorción de los UCNP es relativamente pequeña, resultando en una baja eficiencia de UC. Los sistemas de complejos metálicos / compuestos orgánicos basados en TTA tienen una mayor absorción y una mayor eficiencia cuántica para ser convertidores ascendentes más eficientes que los UCNP. Desafortunadamente, La fotoestabilidad de los convertidores ascendentes basados en TTA es relativamente baja debido a los fuertes procesos de extinción provocados por el oxígeno molecular. Los procesos TADF y HBA en moléculas orgánicas excitadas por el láser CW son atractivos procesos anti-Stokes. Y lo que es más, el potencial de ellos para proporcionar información sobre la temperatura en volumen excitado, los hace más atractivos para su aplicación en bioimagen.
En un nuevo artículo publicado en Ciencia y aplicación de la luz , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Jun Qian del Laboratorio Estatal Clave de Instrumentaciones Ópticas Modernas, Facultad de Ciencias e Ingeniería Ópticas, Universidad de Zhejiang, Porcelana, y el profesor Paras N Prasad del Instituto de Láseres, Fotónica y Biofotónica, Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, NOSOTROS., descubrió y estudió el ASF basado en HBA en Indocyanine Green (ICG) aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA). Basado en sensibilidad térmica, aplicaron ASF de ICG para evaluar el estado térmico de tumores subcutáneos de ratones durante el tratamiento fototérmico. Además, El ASF de ICG es mucho más fuerte que la fluorescencia de UC típica en UCNP excitados a 980 nm, con daño térmico insignificante a los tejidos biológicos. La tomografía de volumen profundo de los vasos sanguíneos cerebrales y la medición de la velocidad del flujo sanguíneo de los ratones se realizaron utilizando el ASF de ICG. Es más, en combinación con nanopartículas (NP) L1057, que absorben la ASF de ICG y emiten más allá de 1100 nm, estas dos sondas generan imágenes multimodo en dos canales fluorescentes bajo la excitación de un solo láser CW de 915 nm. Un canal se usa para monitorear dos órganos superpuestos, sistema urinario y vaso sanguíneo de la rata, mientras que el otro muestra solo el sistema urinario.
a, Efectos fototérmicos sobre las extremidades traseras de la rata y el hígado que se irradian con el láser CW de 915 nm o 980 nm. B, Imágenes de campo amplio de PPA in vivo de las vías biliares de dos ratas después de recibir una inyección de NaYF4:Yb3 +, Tm3 + e ICG respectivamente. C, Imagen microscópica de campo amplio de ASF in vivo de los vasos sanguíneos del cerebro (profundidad a 250 μm) del ratón inyectado con ICG. D, Mediciones de la velocidad de flujo de tres vasos sanguíneos cerebrales muestreados. Crédito:por Jing Zhou, Fan de Xiaoxiao, Di Wu, Jie Liu, Yuhuang Zhang, Zikang Ye, Dingwei Xue, Mubin él, Liang Zhu, Zhe Feng, Andrey N. Kuzmin, Wen Liu, Paras N. Prasad, Jun Qian
En el proceso de HBA, los electrones en las moléculas ICG absorben fotones de la parte superior, térmicamente poblado, niveles vibracionales del estado fundamental. La excitación decae a los niveles de vibración más bajos del estado fundamental, emitiendo así fotones con mayor energía en comparación con la absorbida inicialmente. Estos científicos resumen el trabajo principal de ASF basado en HBA de ICG:
"Descubrimos ASF brillante en ICG bajo la excitación de un láser CW de 915 nm, y lo comparó con ASF de UCNP excitados por láser CW. El resultado es que la ASF de ICG es mucho más brillante que la de UCNP, que atrajo fuertemente nuestra atención. Para conocer el mecanismo de generación de ASF del ICG, realizamos rigurosos experimentos de verificación y concluimos que su mecanismo de generación es HBA. Luego exploramos su posibilidad en aplicaciones de detección térmica. La evaluación del estado térmico de los tumores subcutáneos durante el tratamiento fototérmico y la indicación de alta temperatura se lograron utilizando ASF de ICG. También se realizaron tomografía de vasos sanguíneos cerebrales y velocimetría del torrente sanguíneo de ratones. Considerando la operación quirúrgica, Demostramos un concepto de imagen multimodo in vivo en tiempo real que permite la detección selectiva y de alto contraste de órganos adyacentes (sistema urinario y vasos sanguíneos) mediante la combinación de ICG con puntos de polímero orgánico fluorescente L1057 bajo una única excitación de láser CW de 915 nm. Esta nueva técnica de imágenes puede ser útil para la monitorización intraoperatoria en tiempo real y evitar lesiones por cirugía accidental ".
a, El principio óptico de las imágenes multimodo. 915 nm es la longitud de onda de excitación para que ICG produzca ASF, y es también el pico de absorción de NP L1057, y la ASF de ICG en el canal 1 está ubicada exactamente en la región espectral de alta absorción de las NP L1057. Mientras tanto, las señales de fluorescencia de Stokes (SF) de las NP L1057 en el canal 2 no tienen diafonía con las de ICG. B, Modo de inyección de imágenes multimodo del sistema urinario y los vasos sanguíneos. Se inyecta ICG en los vasos sanguíneos y se inyectan NP L1057 en el sistema urinario. C, Imágenes de pseudo color multimodo de uréteres y vasos sanguíneos de ratas tratadas con ICG y NP L1057 bajo la excitación de un láser CW de 915 nm. En el canal 1, los vasos sanguíneos presentan una visualización positiva brillante (mostrada en pseudo color verde), y los uréteres que absorben la ASF de fondo de ICG presentan una visualización negativa oscura obvia (mostrada en pseudo color rosa), logrando visualización simultánea automática de dos órganos. Mientras tanto, en el canal 2, solo los uréteres tienen señales (mostradas en pseudo color rosa), lograr la visualización de un solo objetivo. Crédito:por Jing Zhou, Fan de Xiaoxiao, Di Wu, Jie Liu, Yuhuang Zhang, Zikang Ye, Dingwei Xue, Mubin él, Liang Zhu, Zhe Feng, Andrey N. Kuzmin, Wen Liu, Paras N. Prasad, Jun Qian
"Curiosamente, encontramos que ICG podría generar PPA visible ( <700 nm) bajo excitación láser CW de 915 nm. Puede ayudar al ser humano a percibir la luz infrarroja a simple vista ", añaden.
"Esperamos que la ASF de ICG se utilice de manera más profunda y amplia y que otros fluoróforos con características de ASF inducidas por HBA puedan sintetizarse para la obtención de imágenes biológicas". sintiendo teranóstica y percepción de la luz infrarroja en el futuro ”, pronosticaron los científicos.
