2019年2月4日，ACS Nano在线发表了华中科技大学武汉光电国家研究中心张智红教授课题组的最新研究成果“一种自组装“关/开”的纳米石榴用于活体光声和荧光成像，揭示小鼠肝脏枯否细胞的策略性排布”（Self-Assembled “Off/On” Nanopomegranate for In Vivo Photoacoustic and Fluorescence Imaging: Strategic Arrangement of Kupffer Cells in Mouse Hepatic Lobules[J].ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b07283）
卵黄囊发育而来的巨噬细胞分布于机体各组织器官，能够吞噬和杀灭寄生虫、细菌、自身衰老死亡的细胞以及肿瘤细胞，参与机体的免疫防御、免疫自稳和免疫调节，是机体免疫系统的重要组成部分。枯否细胞（KC）是分布于肝脏的巨噬细胞，在清除病原体和全身循环的其它颗粒物质中发挥关键作用。虽然人们对于KC的认识已久，但是对其在肝小叶内的排布规律与其吞噬降解能力尚不甚清楚。以抗体作为KC示踪剂的肝脏成像，通常难以兼顾成像深度、视场范围和空间分辨率，无法同时获取肝脏的基本结构单元--肝小叶的精细结构信息和KC的准确定位与功能信息。
光学分辨的光声成像技术结合了光学成像的高对比度和超声成像的高穿透性能的优点，同时兼具高分辨率（横向分辨率1-2 μm）、大视野（2 mm ´ 2 mm）和相对深的组织穿透能力（300 μm），适用于对肝脏的深层次成像研究。张智红教授和骆清铭教授为了研究肝脏驻留型免疫细胞KC在肝脏中的排布规律与功能，带领博士生邓得强和博士后林巧雅等人发明了可快速自组装的类似石榴样结构的纳米颗粒，疏水性近红外荧光染料可被高效地自组装到石榴籽（4-5 nm）内，数以万计的石榴籽形成一个粒径~400 nm的纳米石榴（nano-pomegrante），此时荧光信号处于高度淬灭状态（99.74%）。也就是说，当纳米石榴结构保持完整时，荧光染料具有极强的光学吸收特性，我们称之为“暗纳米石榴（Dark nano-pomegrante）”；当纳米石榴样结构松散或降解时，荧光淬灭效应减弱，荧光信号随之释放，此时称之为“亮纳米石榴（Bright Nano-pomegranate）”。 由于纳米石榴独特的光学性能及其数百纳米的粒径，静脉注射之后，迅速被肝脏中的KCs高效摄取，摄取率高达98.8%。由此，通过光声成像检测肝脏中“暗纳米石榴”的吸收信号，可反映KC的吞噬能力；通过检测肝脏中“亮纳米石榴”的荧光信号，可反映KC的降解功能。
活体肝脏的光声成像清晰地展示了纵横交错排列的肝小叶和肝血窦的精细结构，肝血窦直径为8.4 ± 2.28 μm。双波长光声成像（523 nm和744 nm分别用于检测血红蛋白和纳米石榴的吸收信号）结果显示，肝小叶内KC的分布密度与其空间位置密切相关，具体表现为，距离中央静脉越远的地方，KC数目逐渐增多，在单个肝小叶内KC的密度与其离中央静脉的距离（rn/rmax）之间呈现线性关系（线性回归决定系数 R2 = 0.751）。为了表征KC的吞噬功能与其空间位置的关系，我们定量分析了单个KC的光声信号面积和强度，结果显示，KC的光声信号面积与其空间位置（rn/rmax）呈线性相关（皮尔逊相关系数R2 = 0.7209）；而KC的光声信号强度与其空间位置（rn/rmax），只在距离中央静脉较近的区域（rn/rmax: 0.167-0.3）呈现Zig-zag状波动，在肝小叶中和远端位置的KC光声信号值相近，此现象可能与肝血窦内不同区域的血流速度有关。进而，活体肝脏的荧光显微成像结果表明，KCs吞噬纳米石榴后缓慢（2 h）释放出荧光信号；与商业化FluoSpheres对比，可以更加清晰地展现KCs的形态；在不同空间位置的KC，其荧光信号强度几乎无差别，即KC的降解功能不受其空间定位的影响。
综上所述，该研究成功地解决了高效靶向标记KC同时具备光声/荧光双模态成像的难题，揭示了KC在活体肝脏内的策略性排布与功能，扩展了我们对肝脏生理学的理解。研究工作得到了国家杰出青年科学基金（81625012）, 国家自然科学基金重大研究计划（91442201）和国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金（61721092）等项目的资助。张智红教授和骆清铭教授为论文共同通讯作者，博士研究生邓得强和博士后林巧雅为共同第一作者，杨孝全副教授和博士生宋贤林、代博雷为共同作者参与相关工作。
全文链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsnano.8b07283
图：小鼠肝小叶内KC的光声/荧光图像
a）使用OR-PAM系统获得的活体肝脏内肝血窦（523nm，红色）和KCs（744nm，绿色）的双波长光声成像；b）静脉注射纳米石榴后2小时的KCs（640nm， 红色）和肝小叶自发荧光（488nm，绿色）的共聚焦荧光成像； c）肝小叶中计算KCs密度的示意图，每层间距8μm（rn-rn-1 = 8μm），与中央静脉的距离用rn/rmax比值来表示；d）每层的KC密度与rn/rmax比值之间的相关性。 e）每层中单个KC的PA信号的平均面积和f）每层中单个KC的平均PA强度与rn / rmax比值的量化数据。
