High-precision tumor resection down to few-cell level guided by NIR-IIb molecular fluorescence imaging

自体荧光 分子成像 荧光 荧光寿命成像显微镜 临床前影像学 体内 发光 医学 生物医学工程 材料科学 光学 光电子学 生物 物理 生物技术
作者
Feifei Wang,Liangqiong Qu,Fuqiang Ren,Ani Baghdasaryan,Yingying Jiang,RuSiou Hsu,Liang Peng,Jiachen Li,Guanzhou Zhu,Zhuoran Ma,Hongjie Dai
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:119 (15) 被引量:54
标识
DOI:10.1073/pnas.2123111119
摘要

In vivo fluorescence/luminescence imaging in the near-infrared-IIb (NIR-IIb, 1,500 to 1,700 nm) window under <1,000 nm excitation can afford subcentimeter imaging depth without any tissue autofluorescence, promising high-precision intraoperative navigation in the clinic. Here, we developed a compact imager for concurrent visible photographic and NIR-II (1,000 to 3,000 nm) fluorescence imaging for preclinical image-guided surgery. Biocompatible erbium-based rare-earth nanoparticles (ErNPs) with bright down-conversion luminescence in the NIR-IIb window were conjugated to TRC105 antibody for molecular imaging of CD105 angiogenesis markers in 4T1 murine breast tumors. Under a ∼940 ± 38 nm light-emitting diode (LED) excitation, NIR-IIb imaging of 1,500- to 1,700-nm emission afforded noninvasive tumor–to–normal tissue (T/NT) signal ratios of ∼40 before surgery and an ultrahigh intraoperative tumor-to-muscle (T/M) ratio of ∼300, resolving tumor margin unambiguously without interfering background signal from surrounding healthy tissues. High-resolution imaging resolved small numbers of residual cancer cells during surgery, allowing thorough and nonexcessive tumor removal at the few-cell level. NIR-IIb molecular imaging afforded 10-times-higher and 100-times-higher T/NT and T/M ratios, respectively, than imaging with IRDye800CW-TRC105 in the ∼900- to 1,300-nm range. The vastly improved resolution of tumor margin and diminished background open a paradigm of molecular imaging-guided surgery.
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