斯坦福大学&佐治亚理工学院Nat. Nanotechnol.：用于在第二近红外光学窗口进行光声分子成像的微型金纳米棒

【引言】

生物组织通常在两个不同的光谱范围内具有相对较少的光学吸收，分别称为第一近红外（NIR-I, 650-900 nm）和第二近红外（NIR-II, 1000-1200 nm）窗口。NIR-II中，血液负载组织在1050-1150 nm范围能够产生最低的光声背景噪声。可见，NIR-II中的成像可以显著改善分子光声成像。然而，迄今为止该光谱范围内造影剂仍十分有限。目前常见的光声造影剂有小发色团、荧光蛋白和由碳、半导体和等离子体材料制成的纳米颗粒等。在这些造影剂中，没有一种荧光蛋白能够在NIR-II中产生吸收，并且在该窗口中的小分子染料、碳纳米管和半导体纳米颗粒由于它们的细胞毒性而没有得到很好的研究。等离子体纳米颗粒如金纳米棒（AuNR）已广泛在NIR-I窗口中用于光声成像和其他生物和医学应用。虽然一些等离子体纳米颗粒在NIR-II中也显示出强烈的光学吸收，但是大多数是具有高纵横比或者尺寸大而壳层极薄，从而导致热稳定性差、血液循环半衰期短和组织穿透率低。

【成果简介】

近日，斯坦福大学Sanjiv Sam Gambhir教授与佐治亚理工学院Stanislav Emelianov教授合作，报道了一种在NIR-II中产生吸收的微型金纳米棒，其比具有类似纵横比的常规金纳米棒尺寸小5-11倍。在纳秒脉冲激光照射下，小金纳米棒的热稳定性和产生的光声信号强度分别是较大金纳米棒的3倍和3.5倍。通过理论和数值分析表明，光声信号不仅与纳米颗粒溶液的光学吸收成比例，而且与纳米颗粒的表面-体积比成比例。在携带肿瘤的活体小鼠中，小的靶向纳米棒使得向肿瘤递送药剂的效率提高30%，并产生了4.5倍的光声对比度。该成果以题为"Miniature gold nanorods for photoacoustic molecular imaging in the second near-infrared optical window"发表在国际著名期刊Nature Nanotechnology上。

【图文导读】

图1 大、小AuNR的合成和尺寸表征

(a) 18 nm × 120 nm的大AuNR的种子介导生长示意图；

(b) 8 nm × 49 nm的小AuNR的种子介导生长示意图；

(c) 用于靶向前列腺癌细胞GRPR的AuNR表面功能化的示意图；

(d) 合成的小AuNR的TEM图像；

(e) 合成的大AuNR的TEM图像；

(f) AuNR的尺寸分布；

(g) 大、小AuNR的归一化消光光谱。

图2 大、小AuNR的热稳定性比较

(a) 用4.0 mJ cm^-2的200个激光脉冲照射的光密度匹配的大、小AuNR；

(b) 用18.2 mJ cm^-2的200个激光脉冲照射的光密度匹配的大、小AuNR；

(c) 用20 mJ cm^-2的200个激光脉冲照射前小AuNR的SEM图像；

(d) 用20 mJ cm^-2的200个激光脉冲照射后小AuNR的SEM图像；

(e) 用20 mJ cm^-2的200个激光脉冲照射前大AuNR的SEM图像；

(f) 用20 mJ cm^-2的200个激光脉冲照射后大AuNR的SEM图像；

(g) 包含AuNR溶液的管体模的照片；

(h) 来自管模型的光声强度；

(i) 光声强度与激光能量密度的函数关系。

图3 大、小AuNRs产生的光声信号的数值分析

(a) 不同尺寸AuNRs吸收截面的时域有限差分模拟；

(b) 使用COMSOL在AuNR表面上模拟的瞬态温度分布结果；

(c) 18 nm AuNR的归一化光声信号的空间分布；

(d) 归一化的光声量子产率与纳米颗粒体积的函数关系；

(e) 归一化的发射声能与纳米颗粒表面积的函数关系；

(f) 归一化的光声信号峰强度与AuNR的表面-体积比的函数关系。

图4 大、小AuNR对前列腺癌细胞的特异性

(a) 在每个表面官能化步骤中AuNR的Zeta电位测量结果；

(b) 与靶向或非靶向AuNR一起孵化的PC-3或DU-145细胞的荧光强度；

(c) 与小GPRR AuNR一起孵化的PC-3 细胞的明场（左）和荧光（右）图像；

(d) 与小GPRR AuNR一起孵化的DU-145 细胞的明场（左）和荧光（右）图像；

(e) 与小PEG AuNR一起孵化的PC-3 细胞的明场（左）和荧光（右）图像；

(f) 与小PEG AuNR一起孵化的DU-145细胞的明场（左）和荧光（右）图像；

(g) 与大GPRR AuNR一起孵化的PC-3 细胞的明场（左）和荧光（右）图像；

(h) 与大GPRR AuNR一起孵化的DU-145 细胞的明场（左）和荧光（右）图像；

(i) 与大PEG AuNR一起孵化的PC-3 细胞的明场（左）和荧光（右）图像；

(j) 与大PEG AuNR一起孵化的DU-145 细胞的明场（左）和荧光（右）图像。

图5 在前列腺癌的小鼠模型中靶向大、小AuNR的成像

(a) 带有非靶向大AuNRs的荷瘤小鼠的照片（左）和光声成像（右）；

(b) 带有非靶向小AuNRs的荷瘤小鼠的照片（左）和光声成像（右）；

(c) 带有靶向大AuNRs的荷瘤小鼠的照片（左）和光声成像（右）；

(d) 带有靶向小AuNRs的荷瘤小鼠的照片（左）和光声成像（右）；

(e) 带有靶向小AuNRs的来自荷瘤小鼠m4的肾脏、肿瘤、心脏、脾脏和肝脏的典型荧光图像；

(f) 来自小鼠m1至m4的肿瘤的典型荧光图像；

(g) 来自四组小鼠的主要器官和肿瘤的荧光强度的测量结果。

【小结】

本文中，作者合成了一种在1064 nm处产生吸收的最小金纳米棒，并且发现在纳秒激光照射下，小尺寸金纳米棒的热稳定性是大尺寸金纳米棒的3倍。更重要的是，通过简单地减小尺寸而不改变纳米粒子的光学吸收就能够增加纳米粒子的光声量子产率，从而使得光声信号增强超过3.5倍。在体内整体肿瘤光声信号的显著改善4.5倍。这些发现为未来光声分子造影剂的设计提供了策略，并可能在NIR-II窗口中激发更多的光声分子成像应用。

文献链接：Miniature gold nanorods for photoacoustic molecular imaging in the second near-infrared optical window(Nat. Nanotechnol. 2019, DOI: 10.1038/s41565-019-0392-3)

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