《揭秘近紅外熒光成像學(xué)：從手電筒照手會(huì)紅的童年游戲談起》

揭秘近紅外熒光成像學(xué)：從手電筒照手會(huì)紅的童年游戲談起

當(dāng)我們用手電筒照手時(shí)，手指和手心都會(huì)呈現(xiàn)鮮紅色，這是很多人童年最喜歡玩的小游戲之一（圖1）。但是你想過(guò)為什么手電筒照射時(shí)手會(huì)紅，這個(gè)有趣的現(xiàn)象包含什么樣的科學(xué)原理呢？
可見(jiàn)光（200-650 nm）主要由紅、綠、藍(lán)三原色組成。無(wú)論是日光還是手電筒發(fā)出的光，都包含這三種顏色。其中，紅光在三者中具有最長(zhǎng)的波長(zhǎng)（λ > 625 nm），受到生物組織的反射、散射和吸收都比藍(lán)光和綠光弱，具有更大的組織穿透能力，因而更容易透過(guò)手部組織，使手指和手心顯示鮮紅色。這與在早晨和傍晚觀察到的朝霞和晚霞的顏色一致，并且這兩個(gè)時(shí)間的太陽(yáng)也都是紅色的。再比如月食的時(shí)候，被地球遮擋的月球陰影部分也通常是紅色的。這都是因?yàn)榈厍虼髿鈱诱趽趿似渌伾墓馐t色光具有更大的穿透性，因此能穿透地球大氣層被我們看到，所以看上去就都是紅色的了。

圖1. 手電筒照手，手指呈現(xiàn)鮮紅色。
此外，任何物體都更容易吸收和反射與自身顏色相同的光。在光使手指變紅的現(xiàn)象中，血液中的血紅蛋白、黑色素、膽紅素、還原性煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶和肌肉中的肌紅蛋白，易于反射手電筒中的紅光，吸收非紅光成分。此外，這些蛋白和生物酶也會(huì)發(fā)射一定的紅色熒光。因此，當(dāng)手電筒的光透過(guò)手部皮膚后，我們會(huì)看到鮮紅色的手指。利用紅光更易穿透生物組織的特點(diǎn)，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了紅光理療儀用于醫(yī)學(xué)治療如消除痤瘡、紅血絲、促進(jìn)傷口愈合和美白肌膚等。
那么有沒(méi)有比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)，穿透能力更強(qiáng)的光呢？如果有這種長(zhǎng)波紅光，那它有什么妙用呢？
近年來(lái)隨著科學(xué)家對(duì)于光學(xué)成像的不斷研究，發(fā)現(xiàn)一種具有比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光—近紅外光（650-1700 nm），在生物組織內(nèi)可以達(dá)到最大穿透深度，實(shí)現(xiàn)深層組織成像。因此，近紅外區(qū)域（650-1700 nm）也被稱(chēng)為“生物成像窗口”。由于對(duì)陸地居住的進(jìn)化益處，臨床光學(xué)成像受到大多數(shù)哺乳動(dòng)物組織的大量光子散射和吸收，加上組織自發(fā)熒光的顯著干擾，使用可見(jiàn)光譜中傳統(tǒng)波長(zhǎng)的活體熒光成像會(huì)隨著組織深度的增加而降低分辨率和對(duì)比度。因此，對(duì)深層組織和實(shí)時(shí)熒光成像的需求需要通過(guò)新型熒光探針和成像儀器的發(fā)展來(lái)推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步。近紅外熒光染料主要有兩類(lèi)：第一類(lèi)是無(wú)機(jī)納米材料，包括單壁碳納米管，量子點(diǎn)，稀土納米顆粒和金屬簇。第二類(lèi)是是分子試劑，包括有機(jī)染料和無(wú)機(jī)配合物。由于分子試劑具有小尺寸、高亮度、生物相容性好和分子設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，在近紅外生物醫(yī)學(xué)成像中具有很好的臨床轉(zhuǎn)化前景。

圖2. 使用SWNT-IRDye800在不同近紅外區(qū)域中對(duì)小鼠大腦進(jìn)行活體成像。a）去除毛發(fā)的C57Bl/6小鼠頭部。b-d）同一小鼠頭部在近紅外一區(qū)（NIR-I，700-900 nm）、近紅外二區(qū)（NIR-II，1000-1700 nm）、近紅外二區(qū)a（1300-1400 nm）的熒光圖像。在d）中，大腦下靜脈、上矢狀竇和橫竇分別標(biāo)記為1、2和3。
近紅外熒光成像作為一種卓越的成像方式，具有在研究和臨床應(yīng)用中改進(jìn)疾病檢測(cè)和指導(dǎo)手術(shù)的潛力，為活體生物熒光成像開(kāi)創(chuàng)了生物事件可視化的新時(shí)代。近紅外成像有幾個(gè)好處。在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光散射和自發(fā)熒光都會(huì)減少。因此，與更短波長(zhǎng)的傳統(tǒng)成像相比，可以實(shí)現(xiàn)更高的穿透深度。此外，在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，皮膚、顱骨和腦組織中的水對(duì)光的衰減仍然很低，這使得通過(guò)完整的顱骨無(wú)創(chuàng)地對(duì)大腦成像成為可能。通常，大腦的可見(jiàn)光熒光成像需要削薄或去除感興趣區(qū)域上方的頭骨，從而形成顱骨窗口。然而，由于光散射，成像深度限制在1毫米左右。斯坦福大學(xué)的戴宏杰等人發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)使用發(fā)射范圍在1300-1400 nm的近紅外熒光探針在不需要顱窗的條件下，對(duì)腦部毛細(xì)血管實(shí)現(xiàn)2毫米穿透深度，10微米分辨率的近紅外熒光成像（圖2）。
盡管術(shù)中成像引導(dǎo)系統(tǒng)取得了重大進(jìn)展，但由于缺乏臨床導(dǎo)向的成像系統(tǒng)和光學(xué)造影劑，腫瘤手術(shù)仍然主要在沒(méi)有實(shí)時(shí)圖像輔助的情況下進(jìn)行。由于近紅外熒光成像在生物組織中的良好光傳輸特性（與可見(jiàn)光相比），這種模式可以在癌癥手術(shù)期間提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航，幫助外科醫(yī)生定位病灶，確保清晰的切除腫瘤邊緣和發(fā)現(xiàn)小轉(zhuǎn)移。近紅外熒光成像系統(tǒng)已廣泛用于健康組織的可視化，例如血管、神經(jīng)、輸尿管和內(nèi)分泌腺以及癌組織，并且由于其超高的靈敏度、高時(shí)空間辨率，正在評(píng)估圖像引導(dǎo)手術(shù)。例如2019年，中科院自動(dòng)化所的田捷等人利用集成了對(duì)來(lái)自可見(jiàn)光、近紅外一區(qū)和近紅外二區(qū)波長(zhǎng)的信號(hào)近紅外成像系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)臨床術(shù)中肝癌病人的術(shù)中檢測(cè)和圖像引導(dǎo)肝腫瘤切除（圖3）。

圖3. 用于臨床應(yīng)用的可見(jiàn)光和NIR-I/II多光譜成像儀。
紅光優(yōu)先通過(guò)組織傳播———這就是為什么當(dāng)你在手后面拿著手電筒時(shí)，手會(huì)亮起紅色。從這一常見(jiàn)的生活現(xiàn)象出發(fā)，本文揭秘了當(dāng)前受到廣泛研究關(guān)注的近紅外熒光成像學(xué)。近紅外光作為波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅光，其相關(guān)的近紅外熒光成像學(xué)的發(fā)展已經(jīng)改變了在復(fù)雜的生理環(huán)境中，尤其是在臨床應(yīng)用中生物事件的可視化、評(píng)估和應(yīng)對(duì)的方式，正方興未艾。

參考資料：
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