接近单细胞水平的癌症成像对于研究体内细胞迁移和癌症转移非常理想。然而，目前的成像探针很难同时实现高灵敏度、深层组织穿透性和组织特异性。
鉴于此，上海大学朱樱教授、上海交通大学樊春海院士与华东理工大学赵春常教授（已故）报告了在第二个近红外窗口（1000-1700 nm，NIR-II）具有尾发射的尺寸和形状分辨荧光DNA框架（FDF）点，它能在肿瘤小鼠模型中实现近单细胞水平、肿瘤靶向深组织（约1cm）NIR-II成像。通过构建内嵌疏水性纳米空腔的DNA框架，可非共价地封装设计的近红外-Ib（900-1000纳米）探针（染料Sq964）。FDF点阵具有很高的水溶性、亮度和光稳定性。他们发现，FDF点能在肿瘤细胞中稳定存留并增强信号强度，是因为它们在肿瘤细胞中的积聚与形状有关。基于FDF点阵的癌症成像显示了低至~40个肿瘤细胞的体内灵敏度、高至~26的肿瘤与正常组织比率以及超过11天的长期成像。作者还展示了近红外-II成像引导的乳腺癌手术，可完全切除最小尺寸约为53微米（约20个细胞）的转移瘤。相关研究成果以题为“Ultrabright near-infrared fluorescent DNA frameworks for near-single-cell cancer imaging”发表在最新一期《Nature Photonics》上。本文的主要创新是开发NIR-Ib荧光团(Sq964)，将其封装到DNA框架中，以创建用于生物成像的高亮度且稳定的荧光探针。FDF点由DNA框架组成，该框架将疏水性染料非共价封装在其纳米腔中，使这些分子能够保持其在水中的溶解度和亮度，克服了生物环境中溶解度和光稳定性差的传统限制。FDF点由具有不同碱基对长度（20和37个碱基对）的四面体DNA结构形成，每个框架最多可封装三个Sq964分子。这种封装在NIR-Ib窗口中产生强烈而明亮的荧光，针对深层组织穿透进行了优化。FDF点表现出很强的结构稳定性，可以内化到活细胞中。图1直观地展示了DNA框架的不同大小和形状及其相对细胞摄取效率。该图包括比较小四面体结构、立方体和大四面体结构的图像和数据，其中小四面体显示出最高的稳定性和细胞摄取。因此，这种DNA框架成为进一步开发FDF点的主要结构。图 1.用于癌症成像和图像引导肿瘤手术的 NIR-Ib FDF 点Sq964染料的合成显示产生的荧光团在915 nm处具有吸收峰，在964 nm处具有发射峰，使其非常适合深层组织成像。DNA框架稳定了荧光团在水环境中的光学特性，从而确保了FDF点在生物环境中的功能。图2显示了Sq964与FDF点相比的光学特性，证明了DNA框架内封装染料的溶解度、光稳定性和亮度增强。为了证明该平台的通用性，作者试图用DNA框架封装另外十种疏水性染料。这些包括P2、IBDOH-NO、BDOH-NO、2-COOHSiR650、TTQ-TF、TTQ-F、TPA-BTDH、Aza-BDPE、IR1048和IR1061（图3），进一步证明该系统对不同应用的适应性。结果表明，烷基-DNA框架可用于封装多种染料，这些染料可与DNA框架纳米腔内的烷基链形成强疏水相互作用或氢键。图3. 用于封装各种染料的 DNA 框架的多功能性作者评估了 FDF 点标记和追踪乳腺癌细胞的能力 (4T1)。内化到细胞中后，FDF 点显示出持久的荧光，即使在多次细胞分裂后也能保持稳定性。这使它们成为跟踪肿瘤细胞随时间迁移和增殖的理想工具。研究表明，与 FDF 点孵育 12 小时后，近 100% 的癌细胞变为 NIR-II 阳性。即使在五次细胞分裂（十天的潜伏期）之后，荧光仍然很强，表明 FDF 点可以从亲本细胞传递到后代，使它们可用于长期跟踪肿瘤细胞。图 4提供了对 FDF 点在不同 DNA 框架结构和时间点上的标记效率的深入了解。该图显示了 FDF 点在孵育 2 小时内清晰而强烈地内化到溶酶体中，并与溶酶体荧光标记物 LysoTracker 高度共定位。此外，研究还证实，FDF 点的细胞毒性极小，因为与对照组相比，标记细胞的生长和增殖不受影响。细胞毒性测试还显示活性氧（ROS）或乳酸脱氢酶（LDH）水平没有显着增加，表明生物相容性。研究人员将不同数量的FDF点标记的乳腺癌细胞注射到裸鼠的乳腺脂肪垫中，使用NIR-II显微镜观察细胞的荧光。由于 FDF 点的高亮度，甚至可以在体内检测到少至 40 个细胞，远远超过了以前的成像方法，如基于 ICG（吲哚菁绿）的系统。结果表明，荧光信号强度与注射细胞的数量成正比，仅 170 个细胞时，肿瘤与正常组织的比率 (T/N) 就超过 13，从而提供了出色的信号背景比 (SBR)。图 5说明了 FDF 标记的乳腺癌细胞在 11 天内的体内成像。该图清楚地显示了持续的 NIR-II 荧光和随时间推移不断扩大的肿瘤区域，突出了该系统在长期肿瘤监测方面的实用性。作者最后探讨了FDF点在图像引导手术中的应用，特别是在去除乳腺癌模型中的转移性肿瘤细胞方面。研究人员将FDF点标记的4T1细胞静脉注射到小鼠体内以建立肺转移。72小时后，NIR-II成像显示肺部存在大量转移结节，而使用计算机断层扫描(CT)等传统成像技术无法检测到这些结节。FDF点能够精确识别具有高T/N比(~7.1-8.6)的转移性肿瘤。NIR-II引导的手术可以完全切除直径小至53μm（相当于大约20个细胞）的转移瘤。这种方法显着提高了肿瘤切除的准确性，最大限度地降低了残留癌细胞的风险。图6展示了NIR-II引导的手术程序和切除的肺部肿瘤的组织学分析。NIR-II成像系统展示了检测和指导切除转移灶（包括非常小的病变）的能力，为改善癌症治疗的手术结果提供了关键工具。作者成功展示了用于近单细胞癌症成像和图像引导手术的新型FDF点的设计和应用。FDF点的主要优点包括：（1）高亮度和光稳定性：将疏水性NIR-Ib染料Sq964封装到DNA框架中，确保明亮的荧光、深层组织渗透（~1cm）和体内长期稳定性。（2）高灵敏度：该系统实现了接近单细胞的灵敏度，在活体模型中检测到的细胞少至约40个，使其对于癌症转移的早期检测和跟踪非常有效。（3）长期成像：FDF点能够持续监测肿瘤随时间的进展（长达11天），为癌症生长和转移提供有价值的见解。（4）图像引导手术：FDF点有助于精确切除转移瘤，包括极小的肿瘤结节(~53μm)，最大限度地降低肿瘤切除不完全的风险。作者最后讨论了该技术未来的潜在方向，包括结合肿瘤靶向配体以进一步增强其对癌细胞的特异性。总之，这项工作代表了癌症成像和手术的重大进步，为早期检测、跟踪和精确切除肿瘤至接近单细胞水平提供了工具。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
