復旦大學張凡團隊開發近紅外二區比率熒光生物支架用于骨修復的原位監測
組織再生進展的原位監測對基礎醫學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領域取得了重大進展，但很少有技術能夠原位監測組織的再生過程。 復旦大學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程中的早期炎癥反應、血管生成和植入物降解過程。 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”為題在線發表于《納米·快報》(Nano Letters, 2022, 22, 783-791)。
骨修復是***復雜的生物學過程之***，其中包括細胞增殖、分化和組織形態變化等過程，大致可分為三個相互重疊的階段：炎癥反應、血管生成和骨重塑。整個骨修復周期通常需要幾個月甚至幾年，同時伴隨著植入物的降解，***終實現新生骨的正常形態和生物功能性。在臨床上，醫生需要對骨修復患者的每個階段進行及時診斷和醫療干預，才能獲得理想的治療效果。然而，超聲、CT、MRI和PET成像等傳統醫學檢測方法難以實時報告骨修復的整個進程，并且存在放射性等限制。因此，能夠原位監測骨修復過程中的炎癥反應、血管生成和植入物降解對于基礎醫學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，無需任何侵入性操作就可以實時監測到支架在活體中的熒光信號。更為重要的是，通過比率熒光成像可以避免組織腫脹所引起的熒光信號波動，從而準確監測骨修復過程中的炎癥過程，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 為檢測骨修復過程中血管生長情況，研究團隊通過靜脈注射NIR-II小分子探針LZ1105與ErBG@IR808支架的近紅外二區熒光信號進行共同定位。結果表明，在支架植入后的第1天，顱骨缺損部位沒有明顯血管生成；在21天時，可以觀察到大量新生血管沿著支架空隙生長；觀察期至90天時，發現新生血管繼續形成并擴散至整個骨缺損區。更為重要的是，通過活體熒光定量分析計算不同時間點的新生血管數量，與傳統離體樣本CT分析結果相***致。此外，支架的NIR-II熒光信號可在體長達12周的時間內，原位監測支架的降解情況。 圖3.（a）活體監測骨修復過程中血管生長示意圖；（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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