近日，《自然-纳米技术》发表国家纳米科学中心研究员钟业腾团队在近红外二b区（NIR-IIb）活体成像窗口下，血氧饱和度原位动态成像技术方面的研究。该技术可以对小鼠深层组织内的肿瘤血管结构成像，并实时、动态、精确掌握肿瘤血管血氧饱和度信息。这有助于了解肿瘤微环境与血氧供应的关系，从而深入揭示肿瘤的发生发展机制；同时结合靶标信息指导用药，从而提高预后准确性和药物效率。

近年来，钟业腾带领团队和合作者一起，在稀土发光纳米颗粒研究领域成果不断，相关研究先后在《自然-生物技术》《自然-纳米技术》《自然-通讯》及《先进材料》等刊物发表。取得这一连串成果，他认为和团队严谨的科研态度、细致的实验操作，善于从微末曲折处和各种实验“意外”中找到出路密不可分。

钟业腾（左二）向专家介绍血氧饱和度成像技术。受访者供图

看清肿瘤微环境

肿瘤微环境对肿瘤细胞的生长和扩散作用巨大。微环境中的代谢程序和代谢物状态不仅影响肿瘤细胞，还影响药物的效果。因此，对肿瘤代谢状态和变化进行定量评估对理解不同肿瘤细胞的特征及针对性治疗意义重大。

肿瘤组织的血氧浓度是了解肿瘤微环境的重要指标。目前的血氧检测大致非两类，一是指夹式血氧仪，二是体外血氧分析仪。前者只能给出一个粗略的手指部位血氧数值；后者需要把血液提取出来检测，在时效性和空间分辨率方面存在“短板”。

“我们这项技术能在活体原位条件下，对肿瘤相关血管中血氧饱和度水平进行可视化监控和定量化测量。”钟业腾告诉《中国科学报》，“这有助于评估肿瘤组织细胞的代谢水平和代谢微环境，从而为肿瘤学研究和临床诊断提供更精确、更全面的信息。”

目前，近红外二区荧光材料大多是基于无机纳米材料的探针，它们会在生物体内长时间滞留，从而产生生物毒性。该团队通过对纳米颗粒进行表面亲水性修饰，改善了无机纳米探针在体内的生物兼容性。研究显示，静脉注射的修饰后纳米探针可在两周内排出70%至90%，材料的生物毒性大大降低，显示出该材料在活体体内具有良好的应用前景。

在此基础上，团队研发的血氧饱和度原位动态成像技术可以对小鼠健康组织和肿瘤组织的血管结构进行清晰成像，实时、准确地量化其血氧饱和度水平。这些指标不仅可评估肿瘤组织的代谢水平，还能预测肿瘤免疫治疗的响应性，为肿瘤疗效预测提供了一种全新方法。此外，基于此技术的双通道近红外二b区活体动态成像，能够同时获取肿瘤血管血氧饱和度成像和PD-L1分子影像，对血管进行深层组织活体成像情况下，从多个维度为肿瘤免疫治疗的精准预后提供可靠信息。

“实验表明，即便在皮下1.6毫米深处，该技术的检测结果依然非常精准。”团队成员之一、该论文第一作者方治国介绍说，“这大大扩展了检测信息量，可以用它进行肿瘤学方面的研究。”

和学生一起分析实验数据。受访者供图

在“意外”中看清方向

2021年8月，在某次习惯性浏览文献时，一张图表引起钟业腾的兴趣。

那是张不同氧结合状态下血红蛋白的吸收光谱图，它表明氧合（结合氧分子）血红蛋白和还原（释放氧分子）血红蛋白在不同波段的光吸收强度存在明显差异。

“我瞬间就产生个想法，能否利用该吸收光谱的差异，以纳米探针在不同波段激发下的NIR-IIb荧光强度变化，来定量表征血氧饱和度。”钟业腾回忆说。

灵感电光石火般闪现的那一刻，钟业腾就决定设计个初步实验验证一下。

为让实验结果更明显，团队特意购置氧合血红蛋白和还原血红蛋白试剂进行验证。但令人失望的是，经过数轮尝试都观察不到预测的实验结果。

“当时我就想，如果用纯氧合血红蛋白和还原血红蛋白试剂都无法观察到预想的结果，那血液样本就更难实现了，要不然放弃吧，毕竟这只是个初步想法。”钟业腾说。

收拾样品和试剂的时候，钟业腾和方治国观察到，溶解在水中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白颜色基本一样，这让他们非常疑惑。

“这显然不符合常识和光谱数据，其中一定受到某种未知因素影响。”钟业腾补充说，“既然不清楚受什么因素影响，不如直接拿血液样品再进行一次测试。”

因此，钟业腾又安排学生直接从大鼠体内抽取血液样品进行实验。功夫不负有心人，血液实验一次成功，证实了该研究思路可行。

科学实验本身就是个“意外”不断的过程。旧的“意外”解决了，新的“意外”又接踵而至。

在随后的活体实验中，团队要利用该成像技术来观测并分析肿瘤微环境和肿瘤血管的关系。一开始，他们预判肿瘤组织中不同部位的血管，其血氧饱和度会有较大差别，因此在显微镜视野下血氧饱和度图像会呈现红绿蓝斑驳的画面。

为此，团队进行了细致的显微成像设备搭建和调制，能清晰地分辨出10微米的肿瘤血管，但当天的实验一直做到晚上10点多，所获得的显微血氧饱和度图像只有一片暗红。这意味着，肿瘤组织内不同部位的血氧浓度差别并不大。

“这是不是说明该技术根本无法准确地区分活体组织下的血氧饱和度？”方治国非常纳闷。

“当时感觉学生们都很泄气。”钟业腾说，“站在那里想了一会，我认为对皮下接种并且处于生长初期的小肿瘤来说，其内部的新生血管还尚未形成明显异质性，其不同区域的血氧饱和度很有可能差异并不大。不如把视野放大，看看肿瘤周围的血管是否有区别。”

说干就干，团队连夜修改了实验方案，重新搭建了宽场成像系统。功夫不负有心人，视野范围扩大之后，肿瘤组织内与肿瘤周围血氧的颜色差异立刻一目了然，证明该成像技术能在活体条件下区分血管的血氧状态。

类似的“意外”在此后的实验中屡见不鲜。正是钟业腾团队对兴趣驱动的科学研究有着特别的“执念”，并反复优化实验方案，重复验证实验结果，从而推动小至一个想法，大至一个课题、一个项目的顺利进行。

指导学生实验。受访者供图

带队干好“精细活”

钟业腾曾在美国科学院院士、斯坦福大学教授戴宏杰课题组做了近5年的博士后，这让他回国组建自己团队时，也将戴宏杰的研究习惯“搬”了回来。

“很难想象戴老师这样的知名学者，每周会进行至少5次例行组会，团队里每位成员每周至少跟戴老师正式讨论两次。”钟业腾说，“而且讨论往往涉及试剂用量，实验时间等很多细节。外出开会戴老师也会以邮件或视频会议形式跟我们确认研究细节，及时纠正我们在实验过程中遇到的问题，提出他的建议。”

2020年6月，钟业腾回国加入国家纳米科学中心，成立自己的研究团队。实验室建立初期，许多设备需要搭建、调试，各种问题也不时发生。碰到故障或问题，钟业腾的口头语是：“这有点儿意思”。

他一边将这些小意外当教学案例进行现场示范，一边给学生讲解设备的构造原理、功能及使用注意事项。他鼓励学生在实践中应对挑战、解决问题，同时启迪他们的创新思维，增强动手能力。

“钟老师经常手把手带我们做实验，要求我们规范实验技能。”方治国回忆说，“比如，使用离心机时，先检查离心机里是否有东西、是否配平，仔细确认好之后再使用；称量样品时，勺子要冲洗擦干后再用，这样能避免样品污染，确保实验重复性高……”

钟业腾认为，纳米颗粒制备研究是一门精细活，每一个细节都有可能影响最后的实验结果。和导师一样，钟业腾坚持每周和学生开5次组会，基本上保证每人每周有两次讨论机会。

“我们组会不需要学生做华丽的PPT，只要把原始的数据带过来分析就行。”在钟业腾的电脑桌面上，依次排列着十多个分析软件，方便他随时和学生分析数据、判断问题、梳理思路、提出建议。

“实验常会和最初设想不一样，不及时沟通可能会原地打转走不出去。所以要创造更多沟通机会，讨论更具体的细节。”钟业腾说，“让学生逐步养成严谨的习惯，正确处理原始数据的方法，才能一起干好这些‘精细活’。”

 相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01501-4