《Advanced Science》：Wireless, Deep-Seeing Smart Pill: A NIR-II Fluorescence Imaging Capsule Endoscope for Gastrointestinal Cancer
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胃肠道肿瘤诊疗技术正处于快速发展阶段，胶囊内镜（Capsule Endoscopy，CE）的出现克服了传统有线内镜的侵入性缺陷。然而，现有胶囊内镜受生物组织强光子散射、吸收及自发荧光影响，普遍存在成像穿透深度有限、信噪比（Signal-to-Noise Rat
胃肠道肿瘤诊疗技术正处于快速发展阶段，胶囊内镜（Capsule Endoscopy，CE）的出现克服了传统有线内镜的侵入性缺陷。然而，现有胶囊内镜受生物组织强光子散射、吸收及自发荧光影响，普遍存在成像穿透深度有限、信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）不足的问题，易导致深层或微小病灶漏诊。本研究报道了一种面向胃肠道肿瘤早期诊断的第二近红外窗口荧光成像胶囊内镜（NIR-II Fluorescence Imaging Capsule Endoscope，NIR-II FICE），即“智能胶囊”。该系统利用第二近红外窗口（NIR-II，波长＞900 nm）荧光纳米探针（Fluorescent Nanoprobe，FNP）特异性识别病变组织荧光信号，兼具高灵敏度、高分辨率、强组织穿透能力、高信噪比及高对比度成像优势。实验表明，NIR-II FICE对FNP的最低检测浓度可达5 μg·mL?1，可覆盖大面积不规则区域并对低至100 μm的微小区域成像。离体猪胃组织实验中，其成像穿透深度达4 mm，信噪比超过13 dB，对比度均大于0.5。活体实验中实现了裸鼠病灶的靶向成像。此外，无线供能与磁控一体化装置为NIR-II FICE提供了持续能源保障与精准运动控制。据研究人员所知，这是首个实现NIR-II荧光成像的胶囊内镜平台，将推动无创胃肠道疾病诊疗与临床研究的发展。
《Advanced Science》刊发的这项研究针对胃肠道肿瘤早期筛查的临床痛点展开。当前全球胃肠道肿瘤发病率占癌症总发病数约四分之一，死亡率高达三分之一，而早期肿瘤因体积小、无转移，患者五年生存率可显著提升，因此早期诊断至关重要。传统金标准有线内镜虽诊断准确，但侵入性强，易引发患者不适甚至消化道创伤。胶囊内镜虽实现了无痛无创检查，但商用白光成像（White Light Imaging，WLI）模式受限于可见光穿透深度，难以清晰观测黏膜下及深层病灶；超声成像胶囊尚处技术攻关期，高频微型超声换能器的制备集成仍存挑战；光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography，OCT）胶囊受限于供电与蠕动环境下的扫描稳定性；窄带成像胶囊则因短波长光散射强、组织自发荧光干扰大，深层成像清晰度不足。荧光成像胶囊中，自发荧光成像依赖单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode，SPAD）仅能实现光子计数而非二维成像，分辨率不足；第一近红外窗口（NIR-I，700–900 nm）荧光成像虽降低了背景自发荧光干扰，但仍存在光源滤光片集成难度大、组织穿透深度有限的瓶颈。相比之下，NIR-II窗口（900–1700 nm）具有光子散射弱、吸收低的优势，可实现更深组织穿透与更高空间分辨率，但现有NIR-II成像系统多为台式设备，无法适配体内消化道检查场景，因此研发可体内工作的NIR-II胶囊内镜成为医学影像领域的迫切需求。
研究人员开发了尺寸为12 mm × 37 mm的NIR-II FICE智能胶囊，集成光源模块、图像采集模块、微控制器模块、无线传输模块、无线受电模块与姿态控制模块，支持WLI与NIR-II荧光成像双模态工作。配套构建了无线供能-磁控一体化平台，保障胶囊在体内的持续运行与精准导航。核心关键技术方法包括：采用定制780 nm近红外LED与宽带白光LED集成环形光源，结合四级光路屏蔽策略抑制激发光干扰；设计折叠刚柔结合印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）实现多模块小型化集成；合成叶酸修饰的CH1055@DSPE-PEG-FA NIR-II荧光纳米探针，实现病灶靶向富集；搭建电磁感应无线供能与永磁体磁控协同系统，实现胶囊在仿生胃模型内的平移与旋转操控；采用HCT116荷瘤裸鼠模型验证活体靶向成像性能。
研究结果如下：
2.1 NIR-II FICE组装与测试
研究人员设计了内环径6.6 mm、外环径10.2 mm的刚性环形PCB集成双光源，通过物理结构隔离、阶梯槽透镜座、陷波滤光片与热缩管密封的四级光路管理策略，有效阻断780 nm激发光进入互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）传感器。全系统集成后尺寸符合吞咽要求，在模拟胃液、去离子水与碳酸氢钠溶液中浸泡30分钟后pH波动小于±0.03，成像清晰度无下降；细胞活死染色实验显示双光源照射下细胞存活率均超95%，具备优异生物相容性。
2.2 NIR-II荧光纳米探针的合成与表征
采用超声纳米沉淀法将CH1055荧光分子负载于DSPE-PEG-FA两亲性共聚物，制备得到平均水动力直径约220.31 nm、zeta电位约-25 mV的球形纳米探针。该探针对780 nm激发光吸收峰与1055 nm发射峰匹配NIR-II窗口，绝对量子产率约0.5%，连续照射30分钟荧光强度波动小于5%，400 μg·mL?1浓度下对胃黏膜上皮细胞（GES-1）无明显细胞毒性，具备良好胶体稳定性与生物安全性。
2.3 NIR-II FICE成像实验
浓度检测实验表明，系统对FNP的最低检测浓度达0.01 mg·mL?1（即10 μg·mL?1），全浓度范围内信噪比稳定高于20 dB，对比度最高达0.6以上。分辨率实验成功识别“SJTU”图案，最小平面分辨率达100 μm。离体猪胃组织穿透实验显示，在4.06 mm组织覆盖下，信噪比仍高于13 dB，对比度大于0.5，确定最大有效穿透深度为4 mm。
2.4 NIR-II FICE靶向成像实验
荷瘤裸鼠静脉注射7 mg·kg?1FNP后，NIR-II FICE可在48–72小时清晰捕获病灶靶向荧光信号，信号持续至132小时，三次重复实验数据离散度低；健康对照组无明显非特异性富集，探针48小时内经肾脏基本清除。实验结束后小鼠心、肝、脾、肺、肾HE染色未见毒性损伤，验证了系统的靶向成像效能与生物安全性。
2.5 胃模型中无线供能与磁控协同实验
研究人员搭建了集成移动检查床的无线供能-磁控系统，三维接收线圈在不同位置与角度下最小输出功率达800 mW，可稳定驱动胶囊双模态成像。在仿生胃模型中，外部永磁体可精准控制胶囊完成平移、旋转等多自由度运动，并在无线供能下稳定采集离体猪胃病灶的白光与荧光图像，实时传输至移动终端。
讨论与结论部分指出，NIR-II FICE的核心优势在于分子靶向性、高灵敏度检测与深层组织成像的协同：叶酸受体介导的探针富集可提升微小病灶检出率，GC0308传感器硬件级图像处理机制保障了弱光环境下的信号稳定性，1055 nm发射光的低散射特性突破了传统内镜的黏膜下成像盲区。CH1055有机小分子可经肾脏代谢，DSPE-PEG载体已获FDA批准用于临床药物，叶酸为内源性维生素，三者共同构成了临床转化的安全基础。研究人员同时指出，后续需按FDA流程推进I期至III期临床试验，通过放射标记技术研究人体药代动力学特征，优化探针肾脏清除效率并积累GLP级毒理数据，最终实现临床转化。该研究是全球首个NIR-II荧光成像胶囊内镜平台，为胃肠道肿瘤早期无创筛查提供了高质量成像解决方案，有望在临床诊断中发挥关键作用。
