un, La struttura molecolare dell'ICG. B, Illustrazione schematica della transizione del livello energetico in HBA ASF. L'attivazione termica (freccia rossa) agisce inizialmente sulla molecola allo stato fondamentale con energia inferiore e porta la molecola ad un livello vibrazionale superiore dello stato fondamentale, quindi la molecola assorbe un fotone a lunga lunghezza d'onda (freccia rosa) per raggiungere lo stato eccitato, e infine emette un fotone di lunghezza d'onda più corta (freccia arancione). C, Dipendenza dalla temperatura degli spettri ASF di ICG (800 nm – 900 nm) eccitati da un laser CW da 915 nm. D, Immagini a fluorescenza di un topo tumorale che riflettono l'aumento dell'intensità della PSA dell'ICG nel tumore al seno all'aumentare della temperatura. Credito:di Jing Zhou, Xiaoxiao Fan, Di Wu, Jie Liu, Yuhuang Zhang, Zikang Ye, Dingwei Xue, Mubin lui, Liang Zhu, Zhe Feng, Andrey N. Kuzmin, Wen Liu, Paras N. Prasad, giugno Qian
Fluorescenza anti-Stokes (ASF) a base di assorbimento a banda calda del verde di indocianina (ICG), molto più brillante della luminescenza delle nanoparticelle drogate con ioni di terre rare, è stato osservato e studiato recentemente da scienziati in Cina e negli Stati Uniti. Hanno scoperto che l'ASF dell'ICG può essere utilizzato per la tomografia e la misurazione della velocità del flusso sanguigno dei vasi cerebrali, riflettendo il cambiamento di temperatura, e ottenere l'imaging simultaneo di più organi, e ha notevoli prospettive di applicazione nell'imaging biologico, sensing e persino traduzione clinica.
Esistono quattro tipi comuni di fluorescenza anti-Stokes (ASF):(i) processo di assorbimento multifotonico diretto (MPA), (ii) processo di upconversion (UC) basato sull'assorbimento multistep attraverso livelli energetici intermedi, (iii) processo di fluorescenza ritardata attivata termicamente (TADF), e (iv) processo di assorbimento a banda calda (HBA). Il verificarsi della fluorescenza MPA richiede generalmente un'intensità di eccitazione estremamente elevata e viene solitamente ottenuto utilizzando costosi laser pulsati a femto o picosecondi. Processi UC in nanoparticelle drogate con ioni di terre rare (UCNP), o UC basata sull'annichilazione di tripletta-tripletta (TTA), può essere ottenuto utilizzando laser a diodi economici ad onda continua (CW). Però, la sezione d'urto di assorbimento degli UCNP è relativamente piccola, con conseguente bassa efficienza UC. I complessi metallici/composti organici basati su TTA hanno un assorbimento maggiore e una maggiore efficienza quantica per essere convertitori più efficienti rispetto agli UCNP. Sfortunatamente, la fotostabilità degli upconverter basati su TTA è relativamente bassa a causa dei forti processi di quenching causati dall'ossigeno molecolare. Il processo TADF e HBA in molecole organiche eccitate dal laser CW sono interessanti processi anti-Stokes. Cosa c'è di più, il loro potenziale per fornire informazioni sulla temperatura in volume eccitato, li rende più attraenti per l'applicazione nel bioimaging.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Jun Qian dello State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentations, Facoltà di Scienze Ottiche e Ingegneria, Università di Zhejiang, Cina, e il professor Paras N Prasad dell'Istituto per i laser, Fotonica e Biofotonica, State University di New York a Buffalo, NOI., scoperto e studiato l'ASF basato su HBA in Indocianine Green (ICG) approvato dalla Food and Drug Administration (FDA). In base alla sensibilità termica, hanno applicato l'ASF di ICG per valutare lo stato termico dei tumori sottocutanei dei topi durante il trattamento fototermico. Oltretutto, L'ASF di ICG è molto più forte della tipica fluorescenza UC negli UCNP eccitati a 980 nm, con trascurabile danno termico ai tessuti biologici. La tomografia del volume profondo dei vasi sanguigni cerebrali e la misurazione della velocità del flusso sanguigno dei topi sono state eseguite utilizzando l'ASF dell'ICG. Inoltre, in combinazione con nanoparticelle L1057 (NP), che assorbono l'ASF di ICG ed emettono oltre 1100 nm, queste due sonde generano immagini multimodali in due canali fluorescenti sotto l'eccitazione di un singolo laser CW da 915 nm. Un canale viene utilizzato per monitorare due organi sovrapposti, sistema urinario e vaso sanguigno del ratto, mentre l'altro mostra solo il sistema urinario.
un, Effetti fototermici sull'arto posteriore e sul fegato di ratto irradiati con il laser CW a 915 nm o 980 nm. B, Imaging ad ampio campo della PSA in vivo delle vie biliari di due ratti dopo aver ricevuto l'iniezione di NaYF4:Yb3+, rispettivamente Tm3+ e ICG. C, Immagine microscopica ad ampio campo della PSA in vivo dei vasi sanguigni del cervello (profondità a 250 μm) del topo iniettato con ICG. D, Misurazioni della velocità di flusso di tre vasi sanguigni cerebrali campionati. Credito:di Jing Zhou, Xiaoxiao Fan, Di Wu, Jie Liu, Yuhuang Zhang, Zikang Ye, Dingwei Xue, Mubin lui, Liang Zhu, Zhe Feng, Andrey N. Kuzmin, Wen Liu, Paras N. Prasad, giugno Qian
Nel processo HBA, gli elettroni nelle molecole ICG assorbono i fotoni dalla parte superiore, termicamente popolato, livelli vibrazionali dello stato fondamentale. L'eccitazione decade ai livelli di vibrazione inferiori dello stato fondamentale, emettendo così fotoni con energia maggiore rispetto a quella assorbita inizialmente. Questi scienziati riassumono il lavoro principale dell'ASF di ICG basato su HBA:
"Abbiamo scoperto ASF brillante in ICG sotto l'eccitazione di un laser CW da 915 nm, e lo ha confrontato con l'ASF di UCNP eccitati dal laser CW. Il risultato è che l'ASF dell'ICG è molto più luminoso di quello degli UCNP, che ha fortemente attirato la nostra attenzione. Per scoprire il meccanismo di generazione dell'ASF di ICG, abbiamo effettuato rigorosi esperimenti di verifica e concluso che il suo meccanismo di generazione fosse HBA. Quindi abbiamo esplorato la sua possibilità nelle applicazioni di rilevamento termico. La valutazione dello stato termico dei tumori sottocutanei durante il trattamento fototermico e l'indicazione ad alta temperatura sono state ottenute utilizzando l'ASF di ICG. Sono state eseguite anche la tomografia dei vasi sanguigni cerebrali e la velocimetria del flusso sanguigno dei topi. Considerando l'intervento chirurgico, abbiamo dimostrato un concetto di imaging multimodale in vivo in tempo reale che consente un elevato contrasto e il rilevamento selettivo degli organi adiacenti (sistema urinario e vasi sanguigni) combinando l'ICG con punti L1057 di polimero organico fluorescente sotto una singola eccitazione laser CW di 915 nm. Questa nuova tecnica di imaging può essere utile per il monitoraggio intraoperatorio in tempo reale ed evitare lesioni accidentali da interventi chirurgici".
un, Il principio ottico dell'imaging multimodale. 915 nm è la lunghezza d'onda di eccitazione per l'ICG per produrre ASF, ed è anche il picco di assorbimento di L1057 NP, e l'ASF dell'ICG nel canale 1 si trova esattamente nella regione spettrale ad alto assorbimento delle NP L1057. Nel frattempo, i segnali di fluorescenza di Stokes (SF) delle NP L1057 nel canale 2 non hanno diafonia con quella dell'ICG. B, Modalità di iniezione di imaging multimodale del sistema urinario e dei vasi sanguigni. L'ICG viene iniettato nei vasi sanguigni e le L1057 NP vengono iniettate nel sistema urinario. C, Imaging pseudo-colore multimodale di ureteri e vasi sanguigni del ratto trattati con ICG e L1057 NP sotto l'eccitazione di un laser CW a 915 nm. Nel canale 1, i vasi sanguigni presentano una visualizzazione positiva brillante (visualizzata in uno pseudo colore verde), e gli ureteri che assorbono l'ASF di fondo dell'ICG presentano un'evidente visualizzazione scura negativa (visualizzata in pseudo colore rosa), ottenere la visualizzazione simultanea automatica di due organi. Nel frattempo, nel canale 2, solo gli ureteri hanno segnali (visualizzati in pseudo colore rosa), raggiungimento della visualizzazione di un unico obiettivo. Credito:di Jing Zhou, Xiaoxiao Fan, Di Wu, Jie Liu, Yuhuang Zhang, Zikang Ye, Dingwei Xue, Mubin lui, Liang Zhu, Zhe Feng, Andrey N. Kuzmin, Wen Liu, Paras N. Prasad, giugno Qian
"Interessante, abbiamo scoperto che l'ICG potrebbe generare ASF visibile ( <700 nm) con eccitazione laser CW a 915 nm. Può aiutare l'essere umano a percepire la luce infrarossa a occhio nudo", aggiungono.
"Ci aspettiamo che l'ASF dell'ICG venga utilizzato più profondamente e ampiamente e che altri fluorofori con caratteristiche dell'ASF indotte da HBA possano essere sintetizzati per il bioimaging, rilevamento, teranostica e percezione della luce infrarossa in futuro." prevedono gli scienziati.
