热点应用丨复旦大学张凡团队开发近红外二区比率荧光生物支架用于骨修复的原位监测

2024-01-03 21:34:38 天美仪拓实验室设备（上海）有限公司

组织再生进展的原位监测对基础医学研究和临床转化具有重要意义。尽管在组织工程和再生医学领域取得了重大进展，但很少有技术能够原位监测组织的再生过程。复旦大学张凡教授团队和上海市第六人民医院骨科合作提出了一种集成的第二近红外（NIR-II, 1000-1700 nm）窗口活体成像策略，该策略基于3D打印的掺杂NIR-II镧系比率型纳米探针的生物活性玻璃支架，用以原位监测小鼠颅骨修复过程中的早期炎症反应、血管生成和植入物降解过程。该研究成果于2022年1月10日以“NIR-II Ratiometric Lanthanide-Dye Hybrid Nanoprobes Doped Bioscaffolds for In Situ Bone Repair Monitoring”为题在线发表于《纳米·快报》(Nano Letters, 2022, 22, 783-791)。

骨修复是最复杂的生物学过程之一，其中包括细胞增殖、分化和组织形态变化等过程，大致可分为三个相互重叠的阶段：炎症反应、血管生成和骨重塑。整个骨修复周期通常需要几个月甚至几年，同时伴随着植入物的降解，最终实现新生骨的正常形态和生物功能性。在临床上，医生需要对骨修复患者的每个阶段进行及时诊断和医疗干预，才能获得理想的治疗效果。然而，超声、CT、MRI和PET成像等传统医学检测方法难以实时报告骨修复的整个进程，并且存在放射性等限制。因此，能够原位监测骨修复过程中的炎症反应、血管生成和植入物降解对于基础医学研究和临床转化具有重要意义。

荧光成像因其无辐射、高灵敏和高时空分辨等特点在生物医学领域中具有极大的应用潜力。利用荧光成像技术能够可视化细胞水平和活体水平的生理活动，从而监测和了解生物功能和病理过程。然而，当前报道的大多数荧光探针的发射波长较短(<900 nm)，限制了其在深组织中的成像质量和特异性，并且这些常规探针通常基于绝对强度依赖的信号读出，然而活体组织对光的吸收和散射影像通常会导致荧光信号的波动，最终导致检测结果产生较大的误差。相比之下，比率型荧光传感器可以通过信号强度的自校准来减少非特异性影响，从而实现可靠的高灵敏检测效果。

鉴于此，研究团队提出了一种基于3D打印生物活性玻璃支架的集成活体荧光成像策略：选用具有优异生物相容性的生物活性玻璃（BG）作为支架的基质材料，以具有近红外二区发光性质的稀土纳米颗粒（ErNPs）作为发光核，通过3D打印技术制备得到ErBG支架，并在支架表面修饰HClO响应的荧光染料（IR808）作为响应基团，最终构建得到了近红外二区比率荧光生物支架（ErBG@IR808）。将支架植入到小鼠颅骨缺损模型，实现了原位监测骨修复过程中的早期炎症反应、血管生成和植入物降解情况。

图1. 构建近红外二区比率荧光生物支架用于原位监测骨修复过程示意图

团队构建了小鼠颅骨缺损模型，并将ErBG@IR808支架植入到缺损部位。研究结果显示，由于NIR-II窗口具有深组织穿透和低组织散射的特点，无需任何侵入性操作就可以实时监测到支架在活体中的荧光信号。更为重要的是，通过比率荧光成像可以避免组织肿胀所引起的荧光信号波动，从而准确监测骨修复过程中的炎症过程，并且与临床上血常规检测结果高度一致。

图2.（a）活体监测骨修复过程中炎症反应示意图；（b）支架在骨缺损部位的比率荧光成像照片；（c）808 nm和980 nm通道的荧光信号变化；（d）比率荧光信号变化；（e）血常规结果

为检测骨修复过程中血管生长情况，研究团队通过静脉注射NIR-II小分子探针LZ1105与ErBG@IR808支架的近红外二区荧光信号进行共同定位。结果表明，在支架植入后的第1天，颅骨缺损部位没有明显血管生成；在21天时，可以观察到大量新生血管沿着支架空隙生长；观察期至90天时，发现新生血管继续形成并扩散至整个骨缺损区。更为重要的是，通过活体荧光定量分析计算不同时间点的新生血管数量，与传统离体样本CT分析结果相一致。此外，支架的NIR-II荧光信号可在体长达12周的时间内，原位监测支架的降解情况。

图3.（a）活体监测骨修复过程中血管生长示意图；（b，c）骨缺损部位新生血管的荧光成像照片和统计分析；（d，e）骨缺损部位新生血管的micro-CT成像照片和统计分析；（f）VEGF表达情况。

最后，研究团队对ErBG@IR808支架的活体成骨性能进行了分析。结果显示，BG和ErBG@IR808支架上分布有明显的新生骨组织，并且ErBG@IR808支架可以促进血管生长和新骨形成，加速骨缺损修复。此外，H&E染色结果显示，支架在植入后12周内对小鼠的心、肝、脾、肺和肾等器官没有损伤，表明ErBG@IR808支架在长期监测骨修复进展中具有良好的活体生物相容性。未来，这种集成的NIR-II荧光成像策略还可以进一步拓展到原位监测血管、神经等组织工程的进程，以及可植入医疗器械与宿主的免疫反应。

图4.（a）离体骨缺损样本的光学照片和荧光照片；（b，c）Micro-CT照片和新生骨统计分析；（d）新生骨组织的连续荧光标记照片；（e）Masson染色；（f）对OCN免疫组化染色。

该工作得到了复旦大学化学系、聚合物工程国家重点实验室、上海市分子催化和功能材料重点实验室、国家重点研发项目、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会等机构与项目的大力支持。

参考文献

Peng Pei#, Hongxing Hu#, Ying Chen#, Shangfeng Wang, Jing Chen, Jiang Ming, Yiwei Yang, Caixia Sun, Shichang Zhao*and Fan Zhang*.NIR-II Ratiometric Lanthanide-Dye Hybrid Nanoprobes Doped Bioscaffolds for In Situ Bone Repair Monitoring. Nano Lett., 2022, 2, 783-791.

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