纳米晶体合成与表征
制备具有近红外II发射的镧系掺杂纳米晶体并表征其物理化学性质。
采用共沉淀法合成NaYbF4: Er3+, Ce3+核心，外延生长NaYF4壳层，PEG修饰，并进行TEM和光谱表征。
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通过近红外II窗口进行骨疾病成像
Bone disease imaging through the near-infrared-II window.
实验完整度
高包含体外细胞实验、多种小鼠疾病模型、离体组织成像、免疫荧光及μCT对比验证
主要模型
BALB/c小鼠 DBA/1小鼠胶原诱导性关节炎模型 小鼠胫骨骨缺损模型 小鼠前交叉韧带横断骨关节炎模型
重点核对
ErNCs尾静脉注射后NIR-II成像信号在骨骼中可持续30天以上 骨缺损手术尺寸约1.0 mm，NIR-II成像测量为1.2 mm，与X射线结果相当 CIA模型通过牛II型胶原与CFA乳化后尾静脉免疫DBA/1小鼠诱导，21–28天发病 ACLT手术8周后诱导骨关节炎，NIR-II成像与μCT均显示骨赘和骨质增生 NIR-II成像参数：980 nm激发，38 mW cm−2，1319 nm长通滤光片
摘要
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且无辐射风险，但造影剂的靶向性是非特异性的。在此，我们报道镧系掺杂纳米晶体可以被动靶向骨髓，这种靶向可持续两个多月。因此，我们开发了用于骨疾病诊断的高分辨率NIR-II成像方法，包括用于显示活体骨形态的3D骨成像仪器。我们展示了对1 mm骨缺损的监测，其空间分辨率与X射线成像结果相当。此外，NIR-II成像可以揭示类风湿关节炎早期阶段的滑膜炎所表现的早期炎症，在诊断骨关节炎方面与微计算机断层扫描（μCT）相当，包括膝关节中的骨赘和骨质增生症状。
实验结论
提炼研究问题、关键发现与证据，快速把握文章的核心贡献。
- 研究问题
- 能否利用近红外II窗口光学成像实现无辐射、高分辨率的骨疾病诊断？
- 核心机制
- 镧系掺杂纳米晶体通过骨髓巨噬细胞和内皮细胞的被动细胞转运靶向骨髓，而非与皮质骨结合，从而实现骨成像。
- 主要证据
- 在小鼠模型中，NIR-II成像清晰分辨骨结构，监测1 mm骨缺损并与X射线结果一致；在CIA和ACLT模型中，NIR-II成像识别滑膜炎、骨赘和骨质增生，与μCT结果相当。
- 研究意义
- NIR-II骨成像可满足快速检测和频繁使用，提供详细发病特征，无辐射风险，适用于长期监测潜在骨疾病和治疗进展。
研究路径
按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。
小鼠活体NIR-II骨成像
验证ErNCs在小鼠体内的骨靶向能力和成像分辨率。
尾静脉注射ErNCs，使用NIR-II动物成像系统进行平面和3D成像，观察骨骼结构。
骨髓靶向机制验证
探究ErNCs靶向骨髓的细胞机制。
离体成像比较去髓骨与骨髓间充质，免疫荧光共定位巨噬细胞（F4/80）和内皮细胞（EMCN）。
骨缺损模型成像
评估NIR-II成像对骨缺损的检测分辨率和长期监测能力。
手术制作约1 mm胫骨单皮质骨缺损，术后5天注射ErNCs，进行NIR-II和X射线成像对比。
类风湿关节炎模型成像
验证NIR-II成像对早期RA炎症和滑膜炎的识别能力。
CIA模型诱导RA，进行NIR-II成像和μCT分析，免疫荧光检测IL-1β。
骨关节炎模型成像
比较NIR-II与μCT对OA骨赘和骨质增生的诊断效果。
ACLT手术诱导OA，术后8周进行NIR-II和μCT成像，组织学染色验证。
研究方法
按研究目的归类文中使用的方法，便于定位所需技术。
产品清单
| 实验环节 | 名称 | 品牌 | 货号 |
|---|---|---|---|
| 纳米晶体合成 | 六水合氯化钇 | Sigma-Aldrich | -- |
| 六水合氯化镱 | Sigma-Aldrich | -- | |
| 六水合氯化铒 | Sigma-Aldrich | -- | |
| 六水合氯化铈 | Sigma-Aldrich | -- | |
| 油酸 | Sigma-Aldrich | -- | |
| 1-十八烯 | Sigma-Aldrich | -- | |
| 4-二甲氨基吡啶 | Sigma-Aldrich | -- | |
| 4-吗啉乙磺酸 | Sigma-Aldrich | -- | |
| 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐 | Sigma-Aldrich | -- | |
| 环己烷 | Aladdin Co. | -- | |
| 氯仿 | Aladdin Co. | -- | |
| 吲哚菁绿 | Aladdin Co. | -- | |
| 乙醇 | Shenzhen hs-science Co. | -- | |
| 甲醇 | Shenzhen hs-science Co. | -- | |
| 甲氧基聚乙二醇胺 | Laysan-Bio | -- | |
| Cy3-甲氧基聚乙二醇胺 | Xi’an ruixibio Co. | -- | |
| 细胞毒性评估 | CCK-8试剂盒 | Beijing Solarbio Science & Technology Co., Ltd. | -- |
| NIR-II成像 | 近红外II动物成像系统 | NIROPTICS Ltd. | -- |
| 铟镓砷相机 | Photonic Science | -- | |
| 3D NIR-II成像 | 近红外II相机C-RED2 | First Light Advanced Imagery | -- |
| 1319 nm长通滤光片 | Chroma Technology Corporation | -- | |
| μCT成像 | SkyScan 1276微CT | Bruker | -- |
| Skyscan 1172微CT | Bruker | -- | |
| 免疫荧光染色 | 内皮黏蛋白抗体 | Santa Cruz Biotechnology | sc-65495 |
| 抗F4/80抗体 | Abcam | ab6640 | |
| 驴抗Alexa Fluor 488二抗 | Thermo Fisher Scientific | A32790 | |
| 兔抗IL-1β抗体 | Abcam | ab283818 | |
| Alexa Fluor 594标记的山羊抗兔IgG | Abcam | ab150080 | |
| DAPI封片剂 | SouthernBiotech | 0100-20 | |
| 组织学分析 | 番红O/固绿试剂盒 | Solarbio | G1371 |
| 关节炎模型诱导 | 牛II型胶原 | Chondrex Inc. | -- |
| 完全弗氏佐剂 | Chondrex Inc. | -- |
关键环节
汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。
| 环节 | 核对要点 |
|---|---|
| NIR-II活体成像 | ErNCs注射剂量：文中未明确说明；激发波长980 nm，功率密度38 mW cm−2，1319 nm长通滤光片；成像时间点包括注射后1天至30天以上 阅读提示：Methods中NIR-II平面和3D光学骨成像部分，Fig. 1图注 |
| 骨缺损模型手术 | 缺损直径1.0 mm，位置为胫骨近端关节面下4.3 mm；术后5天注射ErNCs；成像时间点为术后6、8、11天 阅读提示：Methods中Bone defect surgery部分，Fig. 3图注 |
| CIA模型诱导 | 牛II型胶原浓度2 mg/mL，CFA浓度4 mg/mL，等体积乳化；6周龄雄性DBA/1小鼠尾静脉注射100 µL；发病时间21–28天 阅读提示：Methods中Collagen-induced arthritis (CIA) model preparation部分 |
| ACLT模型手术 | 前交叉韧带横断，术后8周诱导骨关节炎；假手术对照仅做皮肤切口 阅读提示：Methods中Anterior cruciate ligament transection (ACLT) surgery部分，Fig. 5图注 |
| 免疫荧光共定位 | ErNCs@Cy3注射后36 h或1 h取材；抗体稀释比例：EMCN 1:200，F4/80未明确说明，IL-1β未明确说明；二抗稀释比例1:300；实验重复三次 阅读提示：Methods中Bone immunofluorescence staining部分，Fig. 2和图4图注 |