uma, A estrutura molecular do ICG. b, Ilustração esquemática da transição do nível de energia em HBA ASF. A ativação térmica (seta vermelha) atua na molécula no estado fundamental com menor energia no início e eleva a molécula a um nível vibracional superior do estado fundamental, então, a molécula absorve um fóton de comprimento de onda longo (seta rosa) para atingir o estado excitado, e finalmente emite um fóton de comprimento de onda mais curto (seta laranja). c, Dependência da temperatura do espectro ASF do ICG (800 nm - 900 nm) excitado por um laser CW de 915 nm. d, Imagens de fluorescência de um camundongo com tumor refletindo o aumento da intensidade de ASF de ICG no tumor de mama conforme a temperatura aumenta. Crédito:por Jing Zhou, Xiaoxiao Fan, Di Wu, Jie Liu, Yuhuang Zhang, Zikang Ye, Dingwei Xue, Mubin He, Liang Zhu, Zhe Feng, Andrey N. Kuzmin, Wen Liu, Paras N. Prasad, Jun Qian
Fluorescência anti-Stokes baseada em absorção de banda quente (ASF) de Indocianina Verde (ICG), muito mais brilhante do que a luminescência de nanopartículas dopadas com íons de terras raras, foi observada e estudada por cientistas na China e nos EUA recentemente. Eles descobriram que o ASF do ICG pode ser usado para tomografia e medição da velocidade do fluxo sanguíneo dos vasos cerebrais, refletindo a mudança de temperatura, e obter imagens simultâneas de vários órgãos, e tem perspectivas de aplicação consideráveis em imagens biológicas, detecção e até tradução clínica.
Existem quatro tipos comuns de fluorescência anti-Stokes (ASF):(i) processo de absorção multifotônica direta (MPA), (ii) processo de conversão ascendente (UC) com base na absorção de várias etapas por meio de níveis de energia intermediários, (iii) processo de fluorescência retardada termicamente ativada (TADF), e (iv) processo de absorção de banda quente (HBA). A ocorrência de fluorescência MPA geralmente requer intensidade de excitação extremamente alta e é geralmente obtida usando lasers pulsados de femto ou pico-segundo caros. Processos de UC em nanopartículas dopadas com íons de terras raras (UCNPs), ou UC com base na aniquilação tripleto-tripleto (TTA), pode ser obtido usando lasers de diodo de onda contínua (CW) de baixo custo. Contudo, a seção transversal de absorção de UCNPs é relativamente pequena, resultando em baixa eficiência de UC. Os sistemas de complexos metálicos / compostos orgânicos baseados em TTA têm maior absorção e maior eficiência quântica para serem conversores ascendentes mais eficientes do que os UCNPs. Infelizmente, fotoestabilidade de conversores ascendentes baseados em TTA é relativamente baixa devido a fortes processos de têmpera causados pelo oxigênio molecular. Os processos TADF e HBA em moléculas orgânicas estimuladas pelo laser CW são processos anti-Stokes atraentes. O que mais, o potencial deles para fornecer informações sobre a temperatura em volume excitado, os torna mais atraentes para aplicação em bioimagem.
Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicação , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Jun Qian do Laboratório Estadual de Instrumentações Óticas Modernas, Faculdade de Ciências Ópticas e Engenharia, Universidade de Zhejiang, China, e o professor Paras N Prasad do Institute for Lasers, Fotônica e Biofotônica, Universidade Estadual de Nova York em Buffalo, NÓS., descobriram e estudaram o ASF baseado em HBA em Indocianina Verde (ICG) aprovado pela Food and Drug Administration (FDA). Com base na sensibilidade térmica, eles aplicaram ASF do ICG para avaliar o estado térmico de tumores subcutâneos de camundongos durante o tratamento fototérmico. Além do mais, O ASF do ICG é muito mais forte do que a fluorescência UC típica em UCNPs excitado em 980 nm, com dano térmico desprezível aos tecidos biológicos. Tomografia de volume profundo de vasos sanguíneos cerebrais e medição da velocidade do fluxo sanguíneo de camundongos foram realizados usando o ASF de ICG. Além disso, em combinação com nanopartículas L1057 (NPs), que absorvem o ASF de ICG e emitem além de 1100 nm, essas duas sondas geram imagens multimodo em dois canais fluorescentes sob a excitação de um único laser CW de 915 nm. Um canal é usado para monitorar dois órgãos sobrepostos, sistema urinário e vaso sanguíneo do rato, enquanto o outro mostra apenas o sistema urinário.
uma, Efeitos fototérmicos nos membros posteriores e no fígado de ratos irradiando com o laser CW de 915 nm ou 980 nm. b, Imagem de campo amplo ASF in vivo das vias biliares de dois ratos após receber injeção de NaYF4:Yb3 +, Tm3 + e ICG respectivamente. c, Imagem microscópica de campo amplo ASF in vivo dos vasos sanguíneos do cérebro (profundidade de 250 μm) do camundongo injetado com ICG. d, Medições de velocidade de fluxo de três vasos sanguíneos cerebrais amostrados. Crédito:por Jing Zhou, Xiaoxiao Fan, Di Wu, Jie Liu, Yuhuang Zhang, Zikang Ye, Dingwei Xue, Mubin He, Liang Zhu, Zhe Feng, Andrey N. Kuzmin, Wen Liu, Paras N. Prasad, Jun Qian
No processo de HBA, elétrons em moléculas de ICG absorvem fótons da parte superior, termicamente povoado, níveis vibracionais do estado fundamental. A excitação decai para os níveis de vibração mais baixos do estado fundamental, emitindo assim fótons com maior energia em comparação com o absorvido inicialmente. Esses cientistas resumem o trabalho principal do ASF do ICG com base em HBA:
"Descobrimos ASF brilhante no ICG sob a excitação de um laser CW de 915 nm, e comparou com ASF de UCNPs excitado por laser CW. O resultado é que o ASF do ICG é muito mais brilhante do que o dos UCNPs, o que atraiu fortemente a nossa atenção. Para descobrir o mecanismo de geração do ASF do ICG, realizamos experimentos de verificação rigorosos e concluímos que seu mecanismo de geração é HBA. Em seguida, exploramos sua possibilidade em aplicações de sensoriamento térmico. A avaliação do estado térmico de tumores subcutâneos durante o tratamento fototérmico e a indicação de alta temperatura foram alcançadas usando ASF do ICG. Tomografia de vasos sanguíneos cerebrais e velocimetria de corrente sanguínea de camundongos também foram realizadas. Considerando a operação cirúrgica, provamos um conceito de imagem multimodo in vivo em tempo real, permitindo alto contraste e detecção seletiva de órgãos adjacentes (sistema urinário e vasos sanguíneos) combinando ICG com pontos de polímero orgânico fluorescente L1057 sob uma única excitação de laser CW de 915 nm. Esta nova técnica de imagem pode ser útil para monitoramento intraoperatório em tempo real e evitar lesões cirúrgicas acidentais. "
uma, O princípio óptico da imagem multimodo. 915 nm é o comprimento de onda de excitação para ICG produzir ASF, e também é o pico de absorção de L1057 NPs, e o ASF de ICG no canal 1 está localizado exatamente na região espectral de alta absorção de L1057 NPs. Enquanto isso, os sinais de fluorescência Stokes (SF) de L1057 NPs no canal 2 não têm diafonia com o de ICG. b, Modo de injeção de imagem multimodo do sistema urinário e vasos sanguíneos. ICG é injetado nos vasos sanguíneos e L1057 NPs são injetados no sistema urinário. c, Imagem multi-modo de cores pseudo de ureteres e vasos sanguíneos de ratos tratados com ICG e L1057 NPs sob a excitação de um laser CW de 915 nm. No canal 1, os vasos sanguíneos apresentam visualização positiva brilhante (exibida em pseudo cor verde), e os ureteres que absorvem o ASF de fundo do ICG apresentam visualização negativa escura óbvia (exibida em pseudo cor rosa), alcançar a visualização simultânea automática de dois órgãos. Enquanto isso, no canal 2, apenas ureteres têm sinais (exibidos em rosa pseudo), alcançar a visualização de alvo único. Crédito:por Jing Zhou, Xiaoxiao Fan, Di Wu, Jie Liu, Yuhuang Zhang, Zikang Ye, Dingwei Xue, Mubin He, Liang Zhu, Zhe Feng, Andrey N. Kuzmin, Wen Liu, Paras N. Prasad, Jun Qian
"Interessantemente, descobrimos que o ICG pode gerar ASF visível ( <700 nm) sob excitação de laser CW de 915 nm. Pode ajudar o ser humano a perceber a luz infravermelha a olho nu ", acrescentam.
"Esperamos que o ASF do ICG seja mais profundamente e amplamente utilizado e outros fluoróforos com características ASF induzidas por HBA possam ser sintetizados para bioimagem, de detecção, teranóstica e percepção de luz infravermelha no futuro ”, prevêem os cientistas.
