Abstract Modern optical imaging techniques provide powerful tools for observing cortical structure and functions at high resolutions. Various skull windows have been established for different applications of cortical imaging, and each has its advantages and limitations. Most critical of the limitations, none of the current skull windows is suitable for observing the responses to some acute craniocerebral injuries on a large scale and at high resolution. Here, we developed a “Through-Intact-Skull (TIS) window” that enables the observation of an immune response on a bilateral cortical scale and at single-cell resolution after traumatic brain injury without affecting the pathological environment of the brain. The TIS window also has the advantages of craniotomy-freeness, centimeter-field of view, synaptic resolution, large imaging depth, long-term observation capability, and suitability for awake mice. Therefore, the TIS window is a promising new approach for intravital cortical microscopy in basic research in neuroscience.

Abstract Fluorescence imaging performed in the 1500-1700 nm spectral range (labeled as near-infrared IIb, NIR-IIb) promises high imaging contrast and spatial resolution for its little photon scattering effect and minimum auto-fluorescence. Though inorganic and organic probes have been developed for NIR-IIb bioimaging, most are in preclinical stage, hampering further clinical application. Herein, we showed that indocyanine green (ICG), an US Food and Drug Administration (FDA)-approved agent, exhibited remarkable amount of NIR-IIb emission when dissolved into different protein solutions, including human serum albumin, rat bile, and fetal bovine serum. We performed fluorescence imaging in NIR-IIb window to visualize structures of lymph system, extrahepatic biliary tract and cerebrovascular. Results demonstrated that proteins promoted NIR-IIb emission of ICG in vivo and that NIR-IIb imaging with ICG preserved higher signal-to-background ratio (SBR) and spatial resolution compared with the conventional near-infrared II (NIR-II) fluorescence imaging. Our findings confirm that NIR-IIb fluorescence imaging can be successfully performed using the clinically approved agent ICG. Further clinical application in NIR-IIb region would hopefully be carried out with appropriate ICG-protein solutions.

Abstract In vivo cortical optical imaging needs to overcome the scattering of skull. Compared to the traditional transcranial surgery-based open-skull glass window and thinned-skull preparation, chemical tissue optical clearing techniques can provide a skull-remained optical access to the brain while maintaining its original environment. However, previously demonstrated skull optical clearing windows could only maintain transparency for a couple of hours and hardly capable for high-resolution monitoring of awake animals. Here, we developed a convenient and easy-handling chronic skull optical clearing technique, named “Through-Intact-Skull (TIS) window”, which was compatible with long-term observation at high resolution, and yielded large imaging depth of 900 μm for cortical neurovascular visualization. In addition, our TIS window could monitor neuron activity in awake mice for a long term. Therefore, our bio-compatible and non-invasive TIS window is a new promising approach for intravital brain microscopy with great potential for basic research in neuroscience.

Abstract High-definition fluorescence imaging of deep-buried organs is still challenging. Here, we develop bright fluorophores emitting to 1700 nm by enhancing electron donating ability and reducing donor-acceptor distance. In parallel, the heavy water functions as the solvent of the delicately designed fluorophores, effectively reducing the fluorescent signal loss caused by the absorption by water. The near-infrared-II (NIR-II, 900-1880 nm) emission is eventually recovered and extended beyond 1400 nm. Compared with the spectral range beyond 1500 nm, the one beyond 1400 nm gives a more accurate fluorescence visualization of the hollow organs, owing to the absorption-induced scattering suppression. In addition, the intraluminal lesions containing much water are simultaneously negatively stained, leading to a stark contrast for precise diagnosis. Eventually, the intraluminally perfused fluorescent probes are excreted from mice and thus no obvious side effects emerge. This general method can provide new avenues for future biomedical imaging of deep and highly scattering tissues.

Abstract Nanoparticles (NPs) assisted photothermal therapy (PTT) is a promising cancer treatment modality and has attracted the attention of the scientific mainstream. However, developing NPs that exhibit efficient optical properties and specific tumor targeting capability simultaneously is difficult. Herein, we develop hybrid nanovesicles consisting of tumor cell-derived exosomes (EXO) and organic aggregation-induced emission (AIE) nanoparticles (TT3- o CB NP@EXOs) with enhanced second near-infrared (NIR-II, 900-1700 nm) fluorescence property and PTT functionality. Compared with TT3- o CB NPs, TT3- o CB NP@EXOs exhibit excellent biocompatibility, specific targeting ability in vitro , homing to homologous tumors in vivo , and prolonged circulation time. Furthermore, TT3- o CB NP@EXOs were utilized as biomimetic NPs for NIR-II fluorescence imaging-guided PTT of tumors, due to their high and stable photothermal conversion capacity under 808 nm irradiation. Therefore, the tumor cell-derived EXO/AIE NP hybrid nanovesicles may provide an alternative artificial targeting strategy for improving tumor diagnosis and PTT.

Abstract Benefiting from low scatter of NIR-II light in biological tissues and high spatial resolution of confocal microscopy, NIR-II fluorescence confocal microscopy has been developed recently and achieve deep imaging in vivo. However, independence of excitation point and detection point makes this system difficult to be adjusted. New, improved, self-confocal NIR-II fluorescence confocal systems are created in this work. Based on a shared pinhole for excitation light and fluorescence, the system is easy and controlled to be adjusted. The fiber-pinhole confocal system is constructed for cerebrovascular and hepatocellular NIR-II fluorescence intensity imaging. The air-pinhole confocal system is constructed for cerebrovascular NIR-II fluorescence intensity imaging, hepatic NIR-II fluorescence lifetime imaging, and hepatic multiphoton imaging.

Abstract Superb reliability and biocompatibility equip aggregation-induced emission (AIE) dots with tremendous potential for fluorescence bioimaging. However, there is still a chronic lack of design instructions of excretable and bright AIE emitters. Here, we designed a kind of PEGylated AIE (OTPA-BBT) dots with strong absorption and extremely high NIR-II PLQY as 13.6%, and proposed the long-aliphatic-chain design blueprint contributing to their excretion from animal body. Assisted by the OTPA-BBT dots with bright fluorescence beyond 1100 nm and even 1500 nm (NIR-IIb), large-depth cerebral vasculature (beyond 600 μm) as well as real-time blood flowing were monitored through-thinned-skull, and noninvasive NIR-IIb imaging with rich high-spatial-frequency information gave a precise presentation of gastrointestinal tract in marmosets. Importantly, after intravenous or oral administration, the definite excretion of OTPA-BBT dots from the body was demonstrated, which showed an influential evidence of bio-safety.

Abstract Uterine diseases seriously threaten the physical and mental health of women. The main principle, when clinicians adopt examinations, is to achieve efficient diagnosis without negative effect on the physical function including fertility. Hysterography in near-infrared (NIR) IIb window (1500-1700 nm) presents perceptibly enhanced signal to background ratio (SBR) and higher penetration capability compared with those beyond 1000 nm and 1300 nm, but lays down high requirements for the biosafety of fluorophores at the same time. Assisted by the biologically excretable aggregation-induced emission (AIE) dots, non-invasive NIR-IIb fluorescence hysterography visualized typical Y-shaped uteruses, real-time uterine peristalsis or the uterine lesions (mimetic disease statuses in clinic) in mouse models. Significantly, after intrauterine perfusion, the reproductive capacity was unimpaired via fertility assessment and histological analysis. This work could inspire some new ideas for non-invasive clinical diagnosis of uterine diseases and effectively promote the clinical translation of AIE dots.

Abstract Optimized excitation wavelength and emission window are essential for fluorescence imaging with high quality. Semiconducting polymer nanoparticles (SPNs) as fluorescent contrast agents have been extensively studied, but their imaging abilities in the second near-infrared IIb window (NIR-IIb, 1500–1700 nm) with long excitation wavelength have not been reported yet. Herein, as a proof-of-concept, we demonstrate for the first time that an SPN named L1057 nanoparticles (NPs) exhibit intense NIR-IIb signal due to its ultra-high brightness and broad emission spectrum. After screening 915 nm as an optimal excitation wavelength, we applied L1057 NPs to visualize the whole-body vessels, cerebral vessels, gastrointestinal tract, and tumor progression in different stages, achieving superior spatial resolution and signal to background ratio in the NIR-IIb window with respect to NIR-II window (1000–1700 nm). This study reveals that simultaneous optimization of excitation wavelength and emission window is an efficient strategy to enhance imaging quality and that L1057 NPs can serve as a promising NIR-IIb contrast agent for high-resolution and deep-tissue imaging.

Abstract In vivo fluorescence imaging in the second near-infrared window (NIR-II) has been considered as a promising technique for visualizing the mammals. However, the definition of the NIR-II region and the mechanism accounting for the excellent performance still need to be perfected. Herein, we simulated bioimaging in the NIR spectral range (to 2340 nm), confirmed the positive contribution of moderate light absorption by water in intravital imaging and perfected the NIR-II window as 900-1880 nm, where the 1400-1500 nm was defined as NIR-IIx region and the 1700-1880 nm was defined as NIR-IIc region, respectively. Moreover, the 2080-2340 nm was newly proposed as the third near-infrared (NIR-III) window, which was believed to provide the best imaging quality. The wide-field fluorescence microscopy in brain, in addition, was performed around NIR-IIx region with excellent optical sectioning strength and the largest imaging depth of in vivo NIR-II fluorescence microscopy to date. We also proposed 1400 nm long-pass detection in off-peak NIR-II imaging whose profits exceeded those of NIR-IIb imaging, using bright fluorophores with short peak emission wavelength.