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Engineering NIR-IIb fluorescence of Er-based lanthanide nanoparticles for through-skull targeted imaging and imaging-guided surgery of orthotopic glioma

颅骨 镧系元素 纳米颗粒 胶质瘤 荧光寿命成像显微镜 材料科学 荧光 医学 生物医学工程 纳米技术 外科 化学 癌症研究 光学 物理 离子 有机化学
作者
Feng Ren,Hanghang Liu,Hao Zhang,Zhilin Jiang,Bin Xia,Cécile Genevois,Tao He,Mathieu Allix,Qiao Sun,Zhen Li,Mingyuan Gao
出处
期刊:Nano Today [Elsevier BV]
卷期号:34: 100905-100905 被引量:138
标识
DOI:10.1016/j.nantod.2020.100905
摘要

Abstract Highly sensitive and specific discrimination of brain tumor margins from the surrounding parenchyma remains a formidable challenge. Limited by the short of photostable probes with deep tissue penetration and high efficiency of crossing the blood-brain-barrier (BBB), the development of fluorescence-guided surgery (FGS) of brain tumors was markedly constrained. Herein, we report the capability of the strong second near-infrared-IIb (NIR IIb, 1500−1700 nm) fluorescence from Er-based lanthanide nanoparticles in imaging-guided surgery of orthotopic glioma. We designed an energy-cascaded Er3+-Ce3+-A3+ (A = Yb, Ho, Tm) system and prepared a series of NaErF4:Ce@NaAF4@NaLuF4 down-conversion nanoparticles (DCNPs) for optimizing the influence of NaAF4 interlayer and Ce3+ dopants. We modified the optimal NaErF4:2.5 %Ce@NaYbF4(0.9 nm)@NaLuF4 DCNPs with Dye-brush polymer (Dye-BP) to facilitate 4I13/2→4I15/2 transition, which leads to an impressive 675-fold enhancement of 1525 nm fluorescence in aqueous solution under 808 nm excitation due to the excellent energy-cascaded downconversion (ECD), in comparison with that of NaErF4 nanoparticles. We further modified these highly bright nanoparticles with tumor-targeting angiopep-2 peptide, and efficiently delivered them to the glioma by using the focused ultrasound sonication (FUS) to temporarily open the BBB. We obtained the highest tumor-to-background ratio (TBR = 12.5) ever reported in the targeted NIR IIb fluorescence imaging of small orthotopic glioma (size 3 mm) through intact skull and scalp, which was drastically improved to ∼150 after cardiac perfusion and craniotomy to ensure the precise resection of tumor. More importantly, the size of glioma measured from the width of fluorescence profile is very close to that from T2-weighted MRI images. Our work provides the insights into engineering NIR IIb fluorescence of lanthanide nanoparticles, and demonstrates the great potential of NIR IIb fluorescence imaging-guided surgery of tumor.
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