AniView多模式動物活體成像系統助力創傷性腦損傷診斷和手術監測研究
近日，青島科技大學化學與分子工程學院羅細亮團隊與中科院化學所荊莉紅團隊，聯合開發了一種用于創傷性腦損傷診斷/手術監測的高穩定、近紅外發射量子點。相關研究成果已經發表在國際權威期刊《ACS Nano》（IF=17.1、一區top期刊）上。
創傷性腦損傷（TBI）是導致傷害相關死亡的主要原因。在中度或重度TBI病例中，嚴重的顱內血腫和逐漸加重的腦腫脹可能會導致腦疝和迅速死亡。在這種情況下，手術干預通常是清除占位性顱內病變的首選治療方法。然而，手術治療常伴有潛在并發癥，如腦挫傷擴大、新血腫形成或腦積水。外科醫生必須在決定進行手術前，仔細平衡這些風險和收益，并為患者提供詳盡的咨詢。在這種情況下，全面和持續的監測對于避免TBI后的病情惡化至關重要。例如，出血后需要使用血壓藥物和止血措施，當藥物干預無法降低顱內壓時，手術干預將是必需的。因此，開發一種可靠的監測策略，對于TBI的手術管理至關重要。這包括評估外部頭部損傷是否與內部損傷一致，早期檢測任何繼發性損傷，以及確保手術中準確清除血塊等。這樣的策略應及時建立理想的臨床干預條件，并為有效執行減壓手術提供精確指導。
近年來，由于光學成像技術的無創性、高靈敏度和實時反饋潛力，它在可視化體內疾病方面受到了重視。尤其是基于半導體量子點（QD）的熒光成像策略，因其卓越的光學特性而備受關注。之前的研究中，基于QD的熒光成像策略已被用于診斷和治療TBI。然而，臨床上仍然需要一種全面的基于QD的TBI診斷和管理方案，能夠評估患者狀況，指導治療決策，并有效提供術中和術后支持。
三元I-III-VI QD（如銀銦硒化物）因避免使用有毒元素（如鎘、鉛和汞），具備更好的生物相容性，已成為有力的替代選擇。此外，它們較窄的體帶隙使其光致發光可調諧至NIR光譜區域，有利于在生物組織中的穿透性。不幸的是，I-III-VI QD的光致發光量子產率（PLQY）遠低于其二元對應物，這需要改進以滿足實際應用。半導體殼（如硫化鋅ZnS）的外延生長已被廣泛用于提高PLQY和改善QD的穩定性。然而，傳統的ZnS殼在光照下常在生物環境中逐漸降解，影響其在生物醫學成像中的使用。
在本研究中，通過鋁摻雜提高ZnS涂層的穩定性，以確保穩定的信號采集，直接從水相制備了具有NIR發射和可見-NIR激發的穩健且生物相容的QD。在預制的銀銦硒化物核上，通過分別使用軟硬路易斯堿平衡作為路易斯酸的高反應性陽離子，鋁離子被原位摻雜到ZnS殼中，從而提高了QD在光照射下或復雜生物環境中的NIR光致發光穩定性。此外，通過用聚乙二醇（PEG）修飾QD表面，使其能夠逃避網狀內皮系統（RES）的快速清除，實現長時間的血液循環。注射后，QD可以通過血液輸送并積聚在腦部創傷區域，從而實現精確的TBI診斷。更重要的是，通過實施完善的成像手段，當前基于QD的成像策略有望建立全面的診斷和管理工作流程，包括：（1）區分顱內和表面出血；（2）實時監測繼發性出血；（3）指導顱內血腫的適當清除。因此，工程化的QD可以為TBI手術干預提供實時的術前、術中和術后指導，從而幫助優化臨床決策。
圖1. 水相直接合成的高穩定、近紅外發射鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點，利用近紅外熒光成像技術為創傷性腦損傷（TBI）的手術治療提供綜合診斷和管理范式，包括但不限于顱內出血（ICH）和淺表出血（SFH）的區分、繼發性損傷的檢測、以及血腫引流手術的術中監控。
圖2. 基于近紅外發射、聚乙二醇修飾的鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點實現TBI精準在體/離體可視化評估。
圖3. 基于量子點的TBI可視化策略在不同臨床場景下的應用。
研究中，使用了廣州博鷺騰生物科技有限公司AniView多模式動物活體成像系統，進行了活體熒光成像和器官熒光成像（圖2）。實驗表明，經尾靜脈注射給藥后，鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點可以迅速通過血液循環遞送至腦組織，并特異性聚集于TBI小鼠的腦部創傷區，實現腦創傷的活體、實時可視化檢測。在體成像結束后，將腦組織取出，離體腦組織成像和病理分析結果顯示，與正常腦組織相比，量子點能夠高度選擇性地聚集于腦損傷區，高靈敏地區分損傷區和正常組織。
本工作模擬了三種常見的臨床場景：1）顱內和淺表出血；2）繼發性出血；3）顱內血腫手術清除，并通過廣州博鷺騰生物科技有限公司多模式活體成像系統，對量子點進行實時可視化檢測（圖3）。在體成像結果表明，通過近紅外光學成像，可以顯著區分損傷是否位于顱內，實時監測二次出血的發生位置和范圍，并確認血腫是否被有效清除。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c03123
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