實時動態(tài)光學(xué)成像系統(tǒng)在生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程中一直是受到廣泛關(guān)注的研究熱點。該成像系統(tǒng)在可以實時觀測樣本的基礎(chǔ)之上，還具有高靈敏度、高時空分辨率等獨特優(yōu)勢。特別是，實時動態(tài)多重成像系統(tǒng)對研究由復(fù)雜生物相互作用調(diào)節(jié)的病理、生理過程至關(guān)重要，如細胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)、心血管疾病相關(guān)的血液動力學(xué)和神經(jīng)元電路的潛在波動等。然而迄今為止，這些研究的實現(xiàn)主要依賴于多光子熒光顯微鏡和可見熒光探針(波段集中在400-700 nm)。

最近，NIR-II窗口成像技術(shù)在非侵入性生物成像方面取得了進展。由于光子散射和生物組織自發(fā)熒光會隨著波長變長而逐漸減少，更深的穿透深度得以實現(xiàn)。目前，對NIR-II多重生物成像動態(tài)過程的觀測主要方法都是對單一探測器進行多幀合成(更換濾波片)，但這種方法犧牲了多個信號的時間同步性。盡管NIR-II時間分選技術(shù)和脈沖交替激發(fā)方法可以改善時間分辨率，但在快速生物過程中，壽命分辨或激發(fā)切換仍然會導(dǎo)致熒光信號不可避免的損失。因此，實現(xiàn)非侵入性實時動態(tài)多重成像以有效可視化血液動力學(xué)和多細胞動力學(xué)仍是一個具有挑戰(zhàn)性且未被充分探索的領(lǐng)域，尤其在體內(nèi)生物成像方面。

文章介紹了一種新的策略，使用基于釹的立方相下移納米顆粒來增強熒光(thulium-based cubic-phase downshifting nanoparticles)，并在 NIR-IIb 子窗口中探索了光學(xué)成像的潛力。同時，作者們開發(fā)了一種同步雙通道成像系統(tǒng)，可以在各種生物環(huán)境下進行非侵入性實時動態(tài)多重成像。文章還介紹了該技術(shù)在小鼠模型中對腦血管血管運動活動和中性粒細胞行為的非侵入性實時動態(tài)多重成像的應(yīng)用。

同步雙通道成像系統(tǒng)的優(yōu)勢

同步雙通道成像系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)高度的時空同步和準(zhǔn)確性，從而實現(xiàn)非侵入性實時動態(tài)多重成像。這種系統(tǒng)可以同時捕獲兩個不同的成像信號，從而提高了成像的信息量和準(zhǔn)確性。此外，該系統(tǒng)還可以在不同的生物環(huán)境下進行應(yīng)用，包括研究免疫細胞、心血管疾病和神經(jīng)元電路等方面。這些優(yōu)勢使得同步雙通道成像系統(tǒng)成為一種有前途的生物成像技術(shù)。

同步雙通道成像系統(tǒng)組成

概括來看，同步雙通道成像系統(tǒng)由以下幾部分組成：

1. 高分辨率成像設(shè)備：該系統(tǒng)包括一臺高分辨率的成像設(shè)備，如多光子熒光顯微鏡或其他適用于NIR-IIb波段的成像設(shè)備。

2. 長通分光鏡：為了實現(xiàn)雙通道成像，系統(tǒng)中包括一個1,600nm的長通分光鏡，用于將不同光譜的熒光信號分離成兩個不同的光束。

3. 濾光片：每個通道可能配備了濾光片，以確保高通道單色性。

4. InGaAs探測器：系統(tǒng)使用來自Teledyne Princeton Instruments的NIRvana-640探測器來接收和檢測NIR-IIb波段的熒光信號。

5. 熒光探針：研究中使用了α-TmNPs和α-ErNPs作為熒光探針，用于實現(xiàn)雙通道成像。

圖2：同步雙通道成像系統(tǒng)簡化示意圖

同步雙通道成像系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些

與波長更短的NIR-II區(qū)域(1000-1400 nm)相比，NIR-IIb(1500-1700 nm)子窗口在血管成像方面具有顯著優(yōu)勢，特別是對于通過完整顱骨進行腦血管的非侵入式成像。在Tm-Ch(11.3-21.3)和Er-Ch(7.7-15.3)通道中，與Ho通道(1.1-1.3)相比，信號與背景的比率約為7-16倍更高。

圖3：小鼠顱內(nèi)血管NIR-IIb窗口(Tm通道、Er通道)與NIR-II更短波長窗口信號/背景比率

圖4：小鼠全身血管成像NIR-IIb窗口(Tm通道、Er通道)與NIR-II更短波長窗口信號/背景比率

NIR-IIb區(qū)比NIR-II區(qū)的優(yōu)勢在哪里

同步雙通道成像系統(tǒng)在生物成像領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用：

1. 免疫學(xué)研究：同步雙通道成像系統(tǒng)可以用于觀察和分析免疫細胞的行為，如單個細胞的遷移、相互作用和功能。

2. 心血管疾病研究：該系統(tǒng)可以用于實時觀察和分析心血管系統(tǒng)的血流動力學(xué)，如血管收縮、擴張和血流速度的變化。

3. 神經(jīng)科學(xué)研究：同步雙通道成像系統(tǒng)可以用于研究神經(jīng)元電路的活動和功能，如神經(jīng)元的興奮和抑制、突觸傳遞和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動。

4. 腫瘤研究：該系統(tǒng)可以用于觀察和分析腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移和治療反應(yīng)，從而幫助研究人員了解腫瘤的發(fā)展機制和評估治療效果。

5. 組織工程和再生醫(yī)學(xué)：同步雙通道成像系統(tǒng)可以用于研究和評估組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物材料和細胞的生長、分化和功能。

這些應(yīng)用領(lǐng)域只是同步雙通道成像系統(tǒng)的一部分，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，它在生物成像領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會更加廣闊。

審核編輯 黃宇