本文要點：盡管淋巴系統(tǒng)是體內第二大循環(huán)系統(tǒng)，但用于表征淋巴管功能的技術仍舊有限。本文報道了一種用于淋巴循環(huán)微創(chuàng)體內量化的短波紅外（SWIR） 成像技術，與近紅外第一窗口成像相比，該技術具有優(yōu)異的對比度和分辨率。本研究的目標是通過 SWIR 熒光成像研究體內淋巴結構和功能。研究者使用近紅外第一窗口 （NIR-I，700 至 900 nm） 和 SWIR（900 至 1800 nm） 成像，兩種熒光成像方式，評估了健康、免疫功能低下的鹽敏感 Sprague-Dawley 大鼠的表面下淋巴循環(huán)。還比較了兩種熒光成像探針：吲哚菁綠 （ICG） 和硫化銀量子點 （QD） 的SWIR淋巴造影。相對于 NIR-I 成像，SWIR 成像表現(xiàn)出更少的散射和自發(fā)熒光背景。使用 ICG 的 SWIR 成像的分辨率和靈敏度是 NIR-I 的 1.7 倍，使用 QD的 SWIR 成像的分辨率和靈敏度提高了近兩倍，并增強了血管的區(qū)分能力。因此，SWIR 圖像比傳統(tǒng)的 NIR-I 圖像更準確地估計體內血管大小。與使用 ICG 染料的 NIR-I 成像的傳統(tǒng)成像技術相比，將硫化銀 QD 注射到皮內足墊注射液中的 SWIR 成像提供了卓越的圖像分辨率。

圖1. 多光譜成像系統(tǒng)示意圖

在組織狀散射介質（1% liposyn 乳劑）中對 ICG 模型的 NIR-I 和 SWIR 成像的比較表明，由于 SWIR 成像方案中的散射較低，靈敏度和空間分辨率相對增加 [圖 1（b）–1（e）]。毛細管熒光模型可視化的這些差異在10 mm深度處尤為明顯。 

圖2. 在足墊皮內注射ICG后，仰臥大鼠后肢和下腹部淋巴管的成像

本文觀察到皮內足墊注射后淋巴管中 NIR 和 SWIR成像的 ICG 熒光圖像之間的定量差異。正如體外模擬實驗所預期的那樣，使用ICG作為對比，SWIR 成像在小型和大型血管的體內都顯示出卓越的空間分辨率 [圖 2（a）–2（c）]。使用 ICG 的 SWIR 成像提供了高達1.7 倍的血管可區(qū)分性和高達 1.7 倍的分辨率。此外，由于激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的光譜分離較寬，SWIR 發(fā)射圖像中的激發(fā)污染較少。

圖3. 淋巴管上繪制的圓形ROI計算淋巴團運輸速度

在ZZ歸一化和最小波去噪后，可以觀察到每個淋巴團穿過淋巴管上繪制的感興趣區(qū)域的不同峰值。通過在血管長度上繪制兩個ROI，每個血管段的時間序列峰值（對應于過境淋巴的團塊）可用于確定團塊通過血管長度所需的時間，以及隨后的運輸速度[圖3（a）-3（c）]。QD和ICG在腹部可見的血管中均顯示出相似的傳輸速度，分別為6.39±2.40和7.06±1.58mm/s（n=4只大鼠）。在腳墊中注射伊文藍（EB）可以在剝離皮膚時看到后肢/腹部皮下淋巴管。然后，可以測量真實的物理尺寸，并將其與使用與圖2相同的技術從熒光數(shù)據(jù)中測量的血管直徑進行比較。通過EB測量的血管平均直徑為0.22±0.04mm（n=3只大鼠），而通過SWIR熒光測量的同一血管的平均直徑為1.10±0.38mm（n=3只大白鼠）。因此，由于光通過皮膚的多次散射，SWIR血管橫截面比解剖后EB測量的真實物理血管大五倍。

圖4. 腳墊皮內注射 ICG和QD 后的后肢和下腹部淋巴管成像

ICG和QD在同一只動物的同一血管中注射，間隔13天，以便有時間清除之前的造影劑給藥。這些圖像表明，ICG標記的血管具有比QD更高的絕對強度，但由于更高的背景，其信噪比也較低。與ICG相比，Ag2S量子點的發(fā)射峰紅移，發(fā)射窗口更窄。與使用ICG的SWIR成像相比，這應該會使QD-SWIR成像的分辨率更高，圖4（a）-4（c）的結果證實了這一點，其中ICG和QD發(fā)射都是用980nm長通濾光片成像的。盡管純SWIR發(fā)射量子點由于散射減少而顯示出更清晰的空間分辨率，但它們在淋巴管中不如ICG明亮。如圖4（a）和4（b）所示，較小的淋巴管在ICG成像中顯示得更亮。根據(jù)血管間距，使用量子點的SWIR成像提供了高達2.5倍的血管可分辨性，分辨率高達1.7倍。這可能是由于ICG的SWIR發(fā)射波長較短，導致散射較高。NIR（830 nm BP）和SWIR（980 nm LP）圖像與ICG和Ag2S量子點在相對肢體同時注射的配準表明，Ag2S QD可以實現(xiàn)更高的空間分辨率和更低的背景[圖4（d）]。這種尺寸的Ag2S量子點預計會在1100至1200 nm之間出現(xiàn)峰值[圖4（e）]。注射QD的大鼠沒有出現(xiàn)任何明顯的毒性，大約一周后，QD從注射部位清除。

淋巴管特性是通過將切除的灌注血管放置在細絲肌圖上進行離體表征的。這項技術研究了淋巴管收縮性的時間序列，可用于檢查血管舒張劑、遺傳學和跨壁壓力梯度對離體淋巴管收縮功能的影響。體內熒光成像實時可視化淋巴泵送——這些脈沖的強度、持續(xù)時間和頻率與淋巴管回流到循環(huán)中的液體量直接相關，這與肌描記術相比是一個重要區(qū)別，肌描記法中的收縮不一定導致功能性蠕動液體運輸。

本研究表明，使用硫化銀量子點對淋巴網(wǎng)絡進行SWIR成像，可以對淋巴管進行高分辨率成像，并量化表征淋巴循環(huán)所需的參數(shù)，如流速和瓣膜功能。SWIR在體內具有更高的空間分辨率，可以更精確地近似和建模淋巴，這將改善目前對淋巴功能的近似。更高的空間分辨率和更大的信噪比也更有利于計算機視覺血管分割算法，從而產生高精度的血管網(wǎng)絡，從中可以提取時間序列數(shù)據(jù)并用于機器和深度學習算法。該項目中量化淋巴功能的高分辨率動態(tài)成像技術適用于任何數(shù)量的血管疾病狀態(tài)，如高血壓和癌癥。

本文已經在大鼠身上演示了雙NIR和SWIR熒光成像系統(tǒng)的使用。該系統(tǒng)可適用于除淋巴管外的各種體內成像應用。研究證明，使用基于Ag2S的量子點作為SWIR探針可以使識別淋巴管的靈敏度提高近三倍，空間分辨率提高1.7倍。這種提高的靈敏度和分辨率可以檢測到更深、更小的體內淋巴管，而傳統(tǒng)的基于ICG的近紅外熒光成像可能會遺漏這些淋巴管。因此，Ag2S QDs的SWIR成像可以成為探測癌癥和其他涉及淋巴重塑和功能障礙的病理學中淋巴管生成的敏感工具。此外，本文已經證明SWIR動態(tài)熒光成像可用于定量體內淋巴轉運。
 

參考文獻
Christopher Hansen, Jaidip M. Jagtap, Abdul Parchur, Gayatri Sharma, Shayan Shafiee, Sayantan Sinha, Heather Himburg, and Amit Joshi "Dynamic multispectral NIR/SWIR for in vivo lymphovascular architectural and functional quantification," Journal of Biomedical Optics 29(10), 106001
 

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