在疾病诊断和治疗效果评估中，高对比度、高分辨率的深层组织成像技术尤为关键。然而，由于光在生物组织中的散射和吸收作用，传统的光学成像方法受到限制，是否可以有一种高对比度、低背景干扰的成像方法以实现对生物体内深层结构的精确观察？
本期科学101将由浙江大学海宁国际校区先进光子学国际研究中心博士后冯哲，带你走进“超高对比度的近红外二区大深度组织成像”。
超高对比度的近红外二区大深度组织成像
科研成果介绍
在现代生物医学研究中，精确地观察和分析生物体内部微观结构至关重要。特别是在疾病诊断和治疗效果评估中，高对比度、高分辨率的深层组织成像技术尤为关键。然而，光在生物组织中的散射和吸收作用会导致成像质量下降，传统的光学成像方法在深层组织成像中受到限制。因此，需要一种高对比度、低背景干扰的成像方法，以实现对生物体内深层结构的精确观察。
研究背景与挑战
近年来，近红外二区（NIR-II，900-1880 nm）成像技术凭借其较深的组织穿透、较低的光散射和较小的自发荧光干扰，成为深层组织成像的有力方法。尽管如此，要在深层组织中获得高信噪比和高对比度的成像结果，仍面临两大挑战：一是如何提高检测到NIR-II信号的强度，二是如何继续抑制背景的干扰。
为了解决这些问题，科学家们研发出了一系列高性能的荧光团，它们通常被设计为具有分子转子的扭曲结构，以抑制聚集态下不希望发生的分子间π-π相互作用。通过这种方法，成功获得了吸收和发射峰分别在700 nm和1000 nm左右的高亮度NIR-II分子。然而，获得具有更长波长响应和更强发光强度的NIR-II染料仍然充满挑战。
研究创新与成果
本研究通过减小供体-受体（D-A）间距，增强了D-A相互作用，进而提高了荧光团的亮度，实现了超过1400 nm的强发光，并通过收集NIR-IIx（1400-1500 nm）区域的拖尾发光，进一步提高了深层器官成像的对比度。最终，在无需开腹的条件下，本研究实现了在生物组织约4-6 mm深度处，信噪比超过100的高质量成像。此外，包含大量水分的内腔病变（如宫内残留物）同时被负染色，使成像背景几乎为零。
这些成果展示了通过精准调控荧光团结构和成像窗口实现深层组织高对比度成像的可能性，并为未来荧光探针开发和生物医学研究，尤其是深层、高散射生物组织的成像提供了新的思路和方法。
结论与意义
这项研究成果对生物医学领域具有深远影响。首先，开发了一种新型高效荧光探针，并提出长波长荧光探针设计新思路。此外，提出了透过皮肤和组织直接观察到深层结构的新型成像窗口，提供了更高的成像对比度和信噪比，有助于术者更清晰地识别病变组织。
随着人们对健康和生命科学的认识不断深入，对成像技术更高效、更精准的需求日益增长。本研究实现了在NIR-II区域具有超高对比度的成像，为深层生物组织的研究和临床医学应用提供了新的可能性。
▲ 超高对比度的近红外二区大深度组织成像
作者说
我们的研究之旅充满了不断的调整和完善，在每一幅图表的布局，每一段行文的深思熟虑中，我们一次又一次重塑了我们的工作。面对如何清晰展示实验成果和精准传达研究理念的挑战，我们不惜多次推翻重来，探索了无数的视觉和结构组合，以确保每一次迭代都更接近完美。
在初稿形成之际，我们广纳各界专家意见，针对数据解读和论文架构的精细建议，我们深入思考，落实到了每一次修订之中。这一切付出，虽耗时费力，但对提升文章质量起到了重要作用。
诸多修订后，我们的文章还历经编辑和同行评审的严苛审阅，凭借着坚持不懈的努力,我们最终得到了评审专家的认可，文章也最终在Nature Communications期刊上发表。
在科研的旅途上，追求研究的创新突破，意味着面对无尽的困难和考验。然而，只有以开放的心态和谦逊的姿态去不断学习与改进，加上一股不屈的决心，方能突破阻碍，收获真正有价值的科学突破。
（图文：冯哲；编辑整理：任悦，李真鸣；英文校对：YONG Yi Sian；图文编辑：TAN Ze Yue，李亦楠，刘帅印；责任编辑：张旖；审核：杨祎）