光声成像

使用电浆子金纳米粒子对特定分子光声成像

I.介绍

金纳米粒子，如金，银和铁纳米粒子被用来作为各种成像技术对比剂促进癌症的早期检测。金纳米粒子（Au NPs）因为它们著名的生物分子协议，生物相容性，并易于调谐的光学特性，被用来作为肿瘤分子成像的纳米造影剂已经得到普及。在光声现象中，电磁能量是以光的形式被吸收，随后发出声波。使用超声波探测器，声波可以被检测，并且空间分辨率决定了在组织中形成一个图像吸收者。EGFR在许多上皮癌中表达调节，使其成为肿瘤诊断的一个有用的目标。当有针对性的金纳米粒子结合到EGFR上时，他们作为受体，往往集中在相同的空间分布。受体介导的金纳米粒子的聚焦引起的等离子体激元耦合聚集的纳米粒子，导致等离子体共振的一种光学红移和红色区域的吸收增加。利用光学性能中的这些变化，我们以前证明，高选择性的癌症检测可以使用分子靶向金纳米粒子结合光声和超声成像来实现。在这项研究中，我们通过癌细胞标记抗EGFR靶向纳米金评估了光声成像的检测限。

II.材料和方法

在这项研究中使用的金纳米粒子制备使用柠檬酸减少氯金(III）酸和(HAuCl4)的回流。柠檬酸钠还原的方法得到的是直径为50纳米的球形金纳米粒子。

未标记和标记的细胞使用暗视野光学成像来分辨。组织模仿幻影含有用抗EGFR的金纳米粒子标记的不同浓度的人类上皮癌细胞（A431细胞明胶制成）。具体而言，细胞标记的抗表皮生长因子受体的金纳米粒子的制备在一个1×107细胞/毫升浓度中，使用前面描述的过程。细胞悬浮液与不同量的明胶溶液（10%重量）混合，获得一系列的Au纳米颗粒的浓度。将细胞/明胶溶液（100μL）与不同浓度的纳米粒子用移液器吸取到单独的间距器中以用于成像。在成像实验以后，细胞/明胶样品从逆电流器中提取并溶解在1%的硝酸中用于金纳米粒子的定量测定，测定使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。

.超声和光声成像系统结合是使用一个集成的光声和超声成像系统进行超声和细胞/明胶溶液的多波长的光声成像，如图1a。成像系统包括一个带有一个定制的LabVIEW程序控制的超声脉冲器/接收器，脉冲激光器，数据采集单元，和所有三维机械扫描需要的运动轴。一个25Hz的单元素聚焦（震源深度= 25.4毫米，f # = 4）超声传感器是用来获取的组织幻影的超声和光声图像。可调谐OPO 激光系统在720nm波长的操作（7 ns的脉冲持续时间，脉冲重复频率为10 Hz）是用来产生光声瞬态。激光辐射通过7个600µm直径的光纤束来传送。在束近端，所有的纤维排列在一个圆形的配置被耦合到激光束。在其近端，纤维分布在周围并且连接到换能器，也是是说超声换能器的声焦域和和纤维光束空间（图.1b)一致。这种集成探针连接到运动轴允许组织幻影机械扫描。

在离线处理中，光声和超声信号从A线记录的每侧步扫描获得中提取。数字带通滤波器（5-45 MHz）应用这些原始的射频（RF）信号来降低噪声。希尔

伯特变换被用于过滤射频数据来获取超声和光声信号的解析信号。最后，对信号进行空间插值和显示。

III.结果与讨论

未标记和标记的细胞分别在图2a和图2b中所示的暗场图像。未标记细胞由于其内在的光散射特性出现在暗视场图像的蓝色区域（图2a）。靶细胞（图2b）出现橙色的细胞是由于抗表皮生长因子受体共轭的金纳米粒子的等离子体共振散射，这种粒子与表皮生长因子受体分子的胞质膜癌细胞相互作用。

细胞/明胶组织模型的超声和光声图像，如图3所示。在720nm波长光照时得到的光声图像。从ICP-MS分析得到的金纳米以及明胶中的细胞样品的浓度也在图3中给出。在超声图像中，后向散射回波振幅的降低（图3a-3d）清楚地表明在样品中的细胞浓度的降低。它也可以在图3e-3h中观察到，光声信号振幅的减少作为一种细胞/ 金纳米粒子的浓度的函数。

光信号的振幅正比于组织成分的光吸收系数和输入激光的能量密度。因此，组织中的金纳米粒子的浓度的变化会影响组织中产生的光声瞬变强度。具体地说，一个2毫米，1毫米的感兴趣区域被选择为每个细胞/明胶样品图像（图3e-3h），分为200个0.1毫米×0.1毫米的测量分区。在图4中光声信号振幅的平均值和标准偏差被计算和绘制成金纳米粒子浓度的函数。一个线性回归的数据产生了一个0.99的R2值。这个结果是预期的，给定的激光输入能量密度和实际的光声信号振幅正比于吸收器（金纳米粒子）的浓度。光声成像技术的检出限是~3×104cells/mL或~3×107Au NPs/mL。注意这个实验是在5mJ/cm2的能量密度下进行的，这个值小于脉冲激光器的最大允许能量密度（20mJ/cm2）ANSI值。

IV.总结

表皮生长因子受体（EGFR）在多种上皮性肿瘤中过度表达。由于等离子体与聚集的抗表皮生长因子受体共轭金纳米粒子之间的共振耦合，EGFR靶向金纳米粒子组件的等离子体共振频率红移可以被观察到。基于这一现象，我们以前已证明的高选择性癌症组织模型的检测可以使用分子靶向金纳米粒子与光声和超声成像的结合来实现。在这项研究中，我们评估光声成像技术的敏感性是运用检测标记生物金纳米粒子的癌细胞的方法。需要进一步的研究来评估体内特定的分子成像的灵敏度；随后，成像与光疗的结合可以加强现有的治疗方法。

好的句子

1.In this study, we use tissue models to evaluate the sensitivity of molecular specific photoacoustic imaging in detecting cancer cells labeled with EGFR-targeted gold nanoparticles.

2.The ultrasound and multi-wavelength photoacoustic imaging of the cell/gelatin solutions were performed using an integrated photoacoustic and ultrasound imaging system, presented in Fig. 1a.

3.The darkfield images of the unlabeled and labeled cells are shown in Fig. 2a and Fig. 2b, respectively. The unlabeled cells appear bluish regions in the darkfield image (Fig. 2a)due to their intrinsic light scattering properties. The targeted cells (Fig. 2b) appear orange colored cells due to the plasmon-resonance scattering of anti-EGFR conjugated gold nanoparticles which interact with EGFR molecules on the cytoplasmic membrane of the cancer cells.

4.The ultrasound and photoacoustic images of the cell/gelatin tissue models are shown in Fig. 3.

5.The concentrations of the Au NPs obtained from ICP-MS analysis as well as the concentrations of the cells in gelatin samples are also given in Fig. 3. A decrease in the amplitude of the backscattered echo in ultrasound images (Figs. 3a-3d) clearly indicates a decrease in the concentration of cells in the samples.It can also be observed in Figs. 3e-3h that the photoacoustic signal amplitude decreases as a function of cell/Au NPs concentration.

6.Further studies are required to evaluate the sensitivity of in-vivo molecular specific imaging; and subsequently, combining imaging with phototherapy to enhance the current therapeutic techniques.