La propagación de fotones de emisión balística y difusa excitados en el tejido biológico con absorción de luz pequeña (izquierda) y moderada (derecha) y la señal resultante a relaciones de fondo (SBR) de imágenes de fluorescencia. Crédito:Zhe Feng, Tao Tang, Tianxiang Wu, Xiaoming Yu, Yuhuang Zhang, Meng Wang, Junyan Zheng, Yanyun Ying, Siyi Chen, Jing Zhou, Fan de Xiaoxiao, Dan Zhang, Shengliang Li, Mingxi Zhang y Jun Qian
Las creencias profundamente arraigadas de que la absorción y la dispersión de la luz son totalmente dañinas para la captura de fluorescencia instan a la mayoría de los investigadores a buscar una ventana perfecta con una mínima absorción y dispersión de fotones para la obtención de imágenes biológicas. Debido a la menor dispersión de fotones generalmente aceptada, la bioimagen de fluorescencia en la segunda ventana del infrarrojo cercano (NIR-II) proporciona una calidad de imagen admirable, especialmente al descifrar las señales profundamente enterradas in vivo. Hoy en día, Las imágenes de fluorescencia NIR-II ya han guiado la cirugía complicada de tumores de hígado en la clínica. Sin embargo, el papel constructivo de la absorción de luz, hasta cierto punto, parece ser ignorado.
La presentación final de imágenes de alta calidad incluso hace que el efecto positivo exagerado de la supresión de la dispersión al alargar la longitud de onda sea más convincente, ya que se considera que la absorción simultánea atenúa las señales. Como una cuestión de hecho, Algunos trabajos han revelado una mejora de la resolución inducida por la absorción en los medios de dispersión debido a la depresión de las señales de fondo de trayectorias ópticas largas. Sin embargo, sigue sin especificarse cómo aprovechar al máximo la absorción de luz para seleccionar una ventana de imágenes de fluorescencia adecuada.
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 Instrumentación Óptica Moderna, Centro de Investigaciones Ópticas y Electromagnéticas, Facultad de Ciencias e Ingeniería Ópticas, El Centro Internacional de Investigación de Fotónica Avanzada y sus colaboradores han perfeccionado el mecanismo que explica el excelente rendimiento de las imágenes de fluorescencia NIR-II. Simulando la propagación de fotones NIR en bio-tejido, propusieron de forma innovadora la obtención de imágenes de buen rendimiento en 1400-1500 nm, 1700-1880 nm, y 2080-2340 nm, que se definieron como NIR-IIx, NIR-IIc, y la tercera ventana de infrarrojo cercano (NIR-III), respectivamente.
Los puntos cuánticos de núcleo-capa de PbS / CdS diseñados (CSQD) con una longitud de onda de emisión máxima de ~ 1100 nm, ~ 1300 nm, y ~ 1450 nm se utilizaron como sondas de imagen, y encontraron que las regiones de detección alrededor de los picos de absorción del agua siempre brindan una calidad de imagen muy mejorada, y así la definición de la ventana NIR-II se perfeccionó aún más como 900-1880 nm. Se demostró que la región NIR-IIx proporciona imágenes de fluorescencia más superiores que la región NIR-IIb. Con la ayuda de la absorción de luz, Se obtuvieron imágenes de microfluorescencia y macrofluorescencia de campo amplio con una calidad de imagen excelente.
La cognición general de la ventana NIR-II nos guía para enfatizar la depresión de dispersión con el aumento de la longitud de onda, pero subestima el efecto constructivo de la absorción. Como una cuestión de hecho, En teoría, los absorbentes de luz agotarían preferentemente los fotones dispersos múltiples en la propagación, ya que los fotones dispersos tienen longitudes de trayectoria más largas a través del medio biológico que los fotones balísticos (ver Figura 1).
a, Los espectros de absorción de luz del agua dentro de 700-2500 nm (Appl. Opt.32, 3531-3540, 1993) y la definición de las ventanas de imágenes NIR. b-g, Imágenes equivalentes de una fuente lineal a través de un tejido biológico de 1 mm de espesor en (b) 1300-1400 nm, (c) 1400-1500 nm, (d) 1500-1700 nm, (e) 1700-1880 nm, (f) 1880-2080 nm y (g) 2080-2340 nm después de la simulación mediante el método de Monte Carlo. Crédito:Zhe Feng, Tao Tang, Tianxiang Wu, Xiaoming Yu, Yuhuang Zhang, Meng Wang, Junyan Zheng, Yanyun Ying, Siyi Chen, Jing Zhou, Fan de Xiaoxiao, Dan Zhang, Shengliang Li, Mingxi Zhang y Jun Qian
El agua es el componente más importante de los organismos, cuyo espectro de absorción de luz dentro de 700-2500 nm (datos de Apl. Optar. 32, 3531-3540, 1993) se muestra en la Figura 2a. Debido al pico de absorción a ~ 980 nm, 900-1000 nm no deben excluirse de la ventana NIR-II para imágenes biológicas. Las imágenes en 1400-1500 nm no se reconocen desde hace mucho tiempo, pero la alta absorción de luz dentro de esta banda, que se llama región NIR-IIx aquí, ya no es la barrera en la región NIR-II, siempre que las sondas fluorescentes posean suficiente brillo para resistir la atenuación por el agua.
En el presente, la fotorrespuesta del detector clásico de InGaAs limita la formación de imágenes ópticas más allá de 1700 nm, por tanto, la ventana NIR-II se define como no más de 1700 nm. Debido a las propiedades similares de absorción y dispersión, creen que 1700-1880 nm poseían una calidad de imagen comparable con la imagen NIR-IIb y definen 1700-1880 nm como la región NIR-IIc. Sobre la "montaña" de absorción con un pico de ~ 1930 nm, la región de 2080-2340 nm, que se considera como la tercera región del infrarrojo cercano (NIR-III), se convierte en la última ventana biológica de alto potencial en general, ya que la absorción de agua de la luz más allá de los 2340 nm se mantiene obstinadamente alta. Es más, la propagación de fotones en 1300-1400 nm (NIR-IIa), 1400-1500 nm (NIR-IIx), 1500-1700 nm (NIR-IIb), 1700-1880 nm (NIR-IIc), Se simularon las ventanas de 1880-2080 nm y 2080-2340 nm (NIR-III), considerando el espectro de absorción del agua y la propiedad de dispersión de la piel. Como se muestra en la Figura 2b-g, excepto por el agotamiento extremadamente intenso en 1880-2080 nm (Figura 2f), El aumento de la absorción de luz y la disminución de la dispersión de fotones contribuyen positivamente a la obtención de imágenes precisas. Las imágenes NIR-IIx y NIR-III muestran una fuerza de atenuación de fondo superior.
Las imágenes intravitales en ratones se realizaron para evaluar objetivamente las imágenes de fluorescencia con una colección de alrededor de 1450 nm. Se puede ver en la Figura 3a-d que, cuanto más cerca esté la ventana de imagen del pico de absorción, cuanto más bajo sea el fondo de la imagen. Los SBR medidos que se muestran en la Figura 3e-h confirman además la contribución positiva de la absorción. Microscopía de campo amplio de fluorescencia fácil de usar, como técnica clásica, se utiliza a menudo para obtener imágenes de cortes de células o tejidos. Sin embargo, a pesar de la gran profundidad de imagen, los fotones de dispersión y los fotones de señal fuera del fondo inducido por el plano focal mantienen los detalles ocultos bajo un velo de "niebla". Los resultados que se muestran en la Figura 3i-p, con excelente atenuación de fondo, La microscopía de campo amplio alrededor de la región NIR-IIx posee un rendimiento excelente.
Las imágenes de fluorescencia NIR-IIb han sido consideradas durante mucho tiempo como la técnica de imágenes de fluorescencia NIR-II más prometedora debido a la dispersión de fotones suprimida hasta entonces. pero los nuevos resultados demuestran una mayor contribución del aumento de la absorción que la dispersión decreciente y la proyección de imagen de fluorescencia NIR-IIx propuso un rendimiento óptimo, incluso superando las imágenes de fluorescencia NIR-IIb.
anuncio, la imagen de la extremidad trasera del mismo ratón en (a) 1400-1550 nm, (b) 1425-1475 nm, (c) 1500-1700 nm y (d) 1550-1700 nm. e-h, Perfiles transversales de intensidad de fluorescencia a lo largo de las líneas índigo del vaso sanguíneo en (a-d). Barra de escala, 10 mm. Illinois, las imágenes microscópicas 5 × de la vasculatura cerebral en el mismo ratón en (i) 1400-1550 nm, (j) 1425-1475 nm, (k) 1500-1700 nm y (l) 1550-1700 nm. m-p, Perfiles transversales de intensidad de fluorescencia a lo largo de las líneas índigo del vaso sanguíneo en i-l. Barra de escala, 300 micras. Los números muestran los SBR. Crédito:Zhe Feng, Tao Tang, Tianxiang Wu, Xiaoming Yu, Yuhuang Zhang, Meng Wang, Junyan Zheng, Yanyun Ying, Siyi Chen, Jing Zhou, Fan de Xiaoxiao, Dan Zhang, Shengliang Li, Mingxi Zhang y Jun Qian
Estos científicos resumen su descubrimiento:
"Las imágenes de fluorescencia NIR-IIb se han considerado durante mucho tiempo como la técnica de imágenes de fluorescencia NIR-II más prometedora debido a la dispersión de fotones suprimida hasta entonces, pero nuestros resultados ahora demostraron una mayor contribución del aumento de la absorción que la dispersión decreciente y las imágenes de fluorescencia NIR-IIx propuestas en este trabajo poseían un rendimiento óptimo, incluso superando las imágenes de fluorescencia NIR-IIb "
"Creímos que estos resultados son bastante cruciales para el desarrollo posterior de imágenes de fluorescencia NIR".
