Nature子刊 | 南方科技大学金大勇/刘超/梁超/米超开发新的方法，实现了骨疾病无创、高灵活性和高分辨率影像学诊断

骨骼疾病通常通过X射线成像诊断，但辐射限制了其使用。通过近红外II窗口（NIR-II，1000-1700 nm）的光学成像可以穿透深层组织而没有辐射风险，但造影剂的靶向是非特异性的。

2023年10月9日，南方科技大学金大勇、刘超、梁超及米超共同通讯在Nature Communications 发表题为“Bone disease imaging thro ugh the near-infrared-II window”的研究论文，该研究报道了镧系元素掺杂的纳米晶体可以被动地靶向骨髓，这种作用可以持续两个多月。因此，该研究开发了用于骨疾病诊断的高分辨率NIR-II成像方法，包括显示活体骨形态的3D骨成像仪器。

该研究演示了监测1毫米骨缺损与空间分辨率相当的X线成像结果。此外，NIR-II成像可以显示类风湿关节炎早期的滑膜炎症，与微计算机断层扫描(μCT)对骨关节炎的诊断相当，包括膝关节骨赘和骨肥厚的症状。

哺乳动物骨骼与肌腱和肌肉一起执行支撑体重和运动的重要功能。骨骼结构的显微镜视图揭示了其广泛的血管网络以及间充质和造血干细胞及其后代的生态位。骨骼健康对于维持身体运动能力、免疫力和新陈代谢至关重要。然而，一系列常见的骨骼疾病，包括骨折、骨骼畸形、骨质疏松症、类风湿性关节炎、骨关节炎和骨肿瘤，直到晚期症状出现时才会被注意到，除非可以定期使用x线成像。尽管如此，经常暴露在X射线下会导致DNA损伤和白细胞死亡，并被世界卫生组织归类为“已知的人类致癌物”。

更具体地说，澳大利亚的一项研究表明，在儿童期或青春期暴露于X射线计算机断层扫描（平均有效辐射剂量4.5 mSv）会导致总体癌症发病率增加24%，并且发病率比随着CT扫描的增加而增加。根据美国食品和药物管理局的数据，腹部和盆腔CT扫描的有效辐射剂量为10毫西弗，可能会在2008年增加约1毫西弗患癌症的风险。到目前为止，还没有其他的成像方法可以在体内可视化微观结构和监测骨骼健康的功能障碍。

光学成像允许细胞及其功能的定期和实时可视化。更重要的是，与可见光（400-700 nm）和近红外（NIR）-I（700-900 nm）范围相比，NIR-II窗口（1000-1700 nm）的光激发和发射可以穿透深层组织，这使得以高信噪比实现高空间和时间分辨率，因为长波长的光导致最小的组织散射和自发荧光。为实现上述电位，NIR-II发射材料，包括半导体量子点、碳纳米管，镧系元素掺杂纳米晶（LnNCs）和有机分子，已开发用于治疗诊断应用。然而，这些纳米颗粒的有效递送以靶向骨骼的细胞结构仍然具有挑战性，因为纳米颗粒通常被单核吞噬细胞系统过滤，特别是在肝脏和脾脏中更不用说血液流动缓慢和骨复合材料的高密度。这些级联障碍使得使用阳性靶向配体最终略有改善至注射剂量的约0.9%。

与μCT比较，NIR-II对骨关节炎症状的活体成像（图源自Nature Communications ）

该研究报告了小鼠模型中的一系列骨骼疾病，包括亚毫米骨缺损，类风湿性关节炎（RA），滑膜炎，骨关节炎（OA），骨赘和骨肥厚，可以通过~1550nm光学成像准确诊断，利用NIR-II药物自发细胞转运到骨髓。综上所述，本研究实现了对小的骨皮质缺损、类风湿关节炎和骨关节炎的无创、高灵活性和高分辨率影像学诊断。与常规X线和µCT技术相比，NIR-II骨显像不仅满足快速检测和频繁使用的要求，还能提供详细的发病特征和匹配的诊断结果。更有前景的是，定期使用和长期监测潜在的骨骼疾病和治疗进展无辐射风险。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42001-2

转自：“iNature”微信公众号

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