赖斯大学的Han Xiao，斯坦福大学的Zhen Cheng和合作者开发了一种用于无创脑成像的新工具，可以帮助阐明难以进入的结构和过程。他们的小分子染料或荧光团是第一个可以穿过血脑屏障的染料。此外，它使研究人员能够区分健康的脑组织和小鼠的胶质母细胞瘤肿瘤。

“例如，这对于成像引导的手术可能非常有用，”肖说。“使用这种染料，医生可以确定正常脑组织和肿瘤组织之间的边界。

解决脑成像挑战

如果您去过水族馆或夜总会，您可能已经注意到某些物体或表面在黑光下发出的五颜六色的光芒。这种发光效果被称为荧光，可用于渲染原本不被注意的可见事物。

“荧光成像已被应用于我们身体不同部位的癌症成像，”肖说。“荧光探针的优点包括高分辨率和使探针适应不同物质或活动的能力。

组织或器官越深，识别荧光小分子存在所需的波长就越长。因此，波长为1，000至1，700纳米的第二个近红外(NIR-II)通道对于深层组织成像尤为重要。作为参考，可见光波长范围为 380 至 700 纳米。

“我们的工具对于深度成像非常有价值，因为它在NIR-II区域起作用，”肖说。“与NIR-II波长相比，可见光谱内的荧光效应或600至900纳米(NIR-I)之间的近红外波长只会让你皮肤深入。

脑成像带来了特殊的挑战，不仅因为组织深度和可及性，还因为血脑屏障，一层细胞充当非常选择性的过滤器，以限制物质从循环系统通过到中枢神经系统。

“人们总是想知道大脑中到底发生了什么，但很难设计出一种可以穿透血脑屏障的分子。美国食品和药物管理局(FDA)批准的小分子药物中高达98%不能，“肖说。

“一般来说，NIR-II染料分子往往很大，因为它是具有许多双键的共轭结构，”他继续说道。“这是一个真正的问题，也是我们直到现在都无法在脑成像中使用荧光的原因。我们试图通过开发这种非常小但发射波长很长的新型染料支架来解决这个问题。

与另外两种已知的NIR-II染料支架不同，它们无法穿过血脑屏障，而肖开发的支架更紧凑，使其成为靶向大脑的探针或药物的绝佳候选者。“在未来，我们可以修改这个支架，并用它来寻找大脑中许多不同的代谢物，”肖说。

除了大脑之外，肖开发的染料比吲哚菁绿具有更大的持久力，吲哚菁绿是唯一被FDA批准用作造影剂的NIR小分子染料。更长的寿命意味着研究人员有更多的时间在荧光消失之前记录它。

“当暴露在光线下时，吲哚菁绿色染料痕迹在几秒钟内变质，而我们的染料留下稳定的痕迹超过10分钟，”肖说。