復旦大學(xué)張凡團隊開(kāi)發(fā)近紅外二區比率熒光生物支架用于骨修復的原位監測
組織再生進(jìn)展的原位監測對基礎醫學(xué)研究和臨床轉化具有重要意義。盡管在組織工程和再生醫學(xué)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，但很少有技術(shù)能夠原位監測組織的再生過(guò)程。 復旦大學(xué)張凡教授團隊和上海市第六人民醫院骨科合作提出了***種集成的第二近紅外（NIR-II, 1000-1700 nm）窗口活體成像策略，該策略基于3D打印的摻雜NIR-II鑭系比率型納米探針的生物活性玻璃支架，用以原位監測小鼠顱骨修復過(guò)程中的早期炎癥反應、血管生成和植入物降解過(guò)程。 該研究成果于2022年1月10日以“NIR-II Ratiometric Lanthanide-Dye Hybrid Nanoprobes Doped Bioscaffolds for In Situ Bone Repair Monitoring”為題在線(xiàn)發(fā)表于《納米·快報》(Nano Letters, 2022, 22, 783-791)。
骨修復是***復雜的生物學(xué)過(guò)程之***，其中包括細胞增殖、分化和組織形態(tài)變化等過(guò)程，大致可分為三個(gè)相互重疊的階段：炎癥反應、血管生成和骨重塑。整個(gè)骨修復周期通常需要幾個(gè)月甚至幾年，同時(shí)伴隨著(zhù)植入物的降解，***終實(shí)現新生骨的正常形態(tài)和生物功能性。在臨床上，醫生需要對骨修復患者的每個(gè)階段進(jìn)行及時(shí)診斷和醫療干預，才能獲得理想的治療效果。然而，超聲、CT、MRI和PET成像等傳統醫學(xué)檢測方法難以實(shí)時(shí)報告骨修復的整個(gè)進(jìn)程，并且存在放射性等限制。因此，能夠原位監測骨修復過(guò)程中的炎癥反應、血管生成和植入物降解對于基礎醫學(xué)研究和臨床轉化具有重要意義。
圖1. 構建近紅外二區比率熒光生物支架用于原位監測骨修復過(guò)程示意圖 團隊構建了小鼠顱骨缺損模型，并將ErBG@IR808支架植入到缺損部位。研究結果顯示，由于NIR-II窗口具有深組織穿透和低組織散射的特點(diǎn)，無(wú)需任何侵入性操作就可以實(shí)時(shí)監測到支架在活體中的熒光信號。更為重要的是，通過(guò)比率熒光成像可以避免組織腫脹所引起的熒光信號波動(dòng)，從而準確監測骨修復過(guò)程中的炎癥過(guò)程，并且與臨床上血常規檢測結果高度***致。 圖2.（a）活體監測骨修復過(guò)程中炎癥反應示意圖；（b）支架在骨缺損部位的比率熒光成像照片；（c）808 nm和980 nm通道的熒光信號變化；（d）比率熒光信號變化；（e）血常規結果 為檢測骨修復過(guò)程中血管生長(cháng)情況，研究團隊通過(guò)靜脈注射N(xiāo)IR-II小分子探針LZ1105與ErBG@IR808支架的近紅外二區熒光信號進(jìn)行共同定位。結果表明，在支架植入后的第1天，顱骨缺損部位沒(méi)有明顯血管生成；在21天時(shí)，可以觀(guān)察到大量新生血管沿著(zhù)支架空隙生長(cháng)；觀(guān)察期至90天時(shí)，發(fā)現新生血管繼續形成并擴散至整個(gè)骨缺損區。更為重要的是，通過(guò)活體熒光定量分析計算不同時(shí)間點(diǎn)的新生血管數量，與傳統離體樣本CT分析結果相***致。此外，支架的NIR-II熒光信號可在體長(cháng)達12周的時(shí)間內，原位監測支架的降解情況。 圖3.（a）活體監測骨修復過(guò)程中血管生長(cháng)示意圖；（b，c）骨缺損部位新生血管的熒光成像照片和統計分析；（d，e）骨缺損部位新生血管的micro-CT成像照片和統計分析；（f）VEGF表達情況。 圖4.（a）離體骨缺損樣本的光學(xué)照片和熒光照片；（b，c）Micro-CT照片和新生骨統計分析；（d）新生骨組織的連續熒光標記照片；（e）Masson染色；（f）對OCN免疫組化染色。
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