荧光引导手术技术（简称FIGS）虽然能够呈现高清晰度的图像并实时提供反馈，但在生物组织中的光线穿透度有限以及荧光干扰等问题限制了其在临床上的应用。与此同时，近红外区域（包括NIR-I，波长范围700至900纳米；NIR-II，波长范围950至1700纳米）因其较强的组织穿透能力和更优的信噪比而备受瞩目，然而，生物组织屏障和手术环境下的光学性能不佳，这阻碍了其向临床应用的转化。目前的小鼠实验模型难以再现手术过程中的复杂光学状况，而且传统的组织模拟手段在评价近红外一型/二型成像系统时也显现出其局限性。
德克萨斯理工大学的Indrajit Srivastava研究团队成功研制了一种全新的3D肿瘤模拟模型，即Tumor-Mimicking Phantom Models（简称TMPs）。这一创新成果为解决相关难题提供了有效途径。这些模型能够更精确地复制肿瘤的微观环境，从而为NIR-I/II纳米探针的临床应用评估提供了关键的辅助工具。本文对一种新型的三维肿瘤模拟模型的研发过程、实际运用和潜在价值进行了详尽阐述，并展示了该模型在实验中获得的显著成效。
与传统模型相较，这些三维肿瘤模拟器融合了可调节的肿瘤细胞密集度、体内近似纳米颗粒的浓度、与生物相关的因素（例如pH值、酶类）、光吸收成分（如血红蛋白）以及光散射成分（如脂肪乳）。借助3D打印技术，研究人员得以在接近真实环境的条件下，通过高通量平台筛选纳米探针，进而更高效地评定近红外I/II型纳米探针的性能。
在实验过程中，研究人员向模型中引入了不同密度的肿瘤细胞样本，其数量介于每毫升1000至100000个细胞之间，同时加入了不同浓度的纳米颗粒，浓度范围在5至20微克/毫升。此外，pH值和酶等与生物相关的组分也被纳入考虑。结果显示，这些纳米探针在模型中的表现与小鼠模型中的结果相似，然而，该模型在模拟人类肿瘤的复杂环境方面展现出更优的性能。
关键实验及成果
模型设计及优化方面，研究者选用了琼脂糖与明胶作为构建基质的原材料，并引入脂肪乳和血红蛋白来模拟生物组织的散射与吸收特性。实验结果显示，以明胶为基质时，所构建的模型结构更为完整，且在模拟肿瘤的光学特性方面表现更佳。
通过3D打印技术，科研人员成功制作出了拥有复杂几何形态的模型，这些模型能够更加逼真地呈现肿瘤在人体内的生长状态。这些3D打印模型在光学特性上与传统的模具制造模型相近，并且能够呈现出更为复杂的肿瘤形态。
新型NIR-I/II纳米探针在光稳定性方面表现更佳，与FDA认可的靛青绿（ICG）探针相较，即便在持续4小时的激光照射条件下，其信号强度也未出现明显的衰减。
肿瘤微环境的作用不容忽视：研究人员通过调整模型中的pH值、氧气浓度以及谷胱甘肽的水平，对模型在肿瘤微环境变化面前的反应进行了考察。研究结果表明，该模型在模仿肿瘤微环境的过程中，展现出了出色的动态适应性。
通过调整纳米颗粒的浓度，研究人员在模型中建立了荧光信号强度与纳米颗粒浓度之间的直接关联
在组织穿透力评估实验中，通过猪脂肪、肌肉以及皮肤组织的测试，结果显示新型NIR-I/II纳米探针即便在深层组织内部，依然能够维持较高的荧光强度，这一特性表明其组织穿透力优于现有的NIR-I探针。
瘤边界描绘实验中，研究人员将模型植入猪肺组织，重现手术过程，旨在检验纳米探针在描绘肿瘤边缘的效能。实验发现，新型NIR-I/II纳米探针在区分肿瘤与正常组织方面表现卓越，特别是在NIR-II波段，得益于背景自荧光信号的降低，肿瘤边缘的描绘显得更加清晰。
在体内肿瘤模型的对比研究中，研究人员对TMPs在体内及体外肿瘤模型中的光学特性进行了对比分析，结果表明TMPs能够精确地再现体内肿瘤的光学表现，特别是在模拟小鼠皮下肿瘤的情况下，TMPs所发出的荧光信号与体内肿瘤的信号几乎难以区分。
临床转化潜力与未来展望
Srivastava团队构建的模型为NIR-I/II纳米探针的评估提供了一个更贴近实际手术场景的平台。该模型通过模拟肿瘤微环境中的多种因素，能够更精确地预测纳米探针在临床应用中的效果。这一成果不仅有助于加快新型纳米探针的研发进程，而且还能减少对动物实验的依赖，从而降低研发成本。在未来的发展中，模型将得到进一步的改进，包括延长肿瘤细胞在模型内的存活期、探索更稳定的粘合剂等。届时，这些三维肿瘤模拟模型在临床试验中的应用潜力将得到显著提升，为癌症手术导航带来颠覆性的变革。
尽管这项技术尚未普及，仍需进一步的研究以证实其效果并加以改进，然而它所蕴含的潜力无疑是巨大的。它有潜力提升癌症手术的精确度，并降低术后复发的风险。在不久的将来，Srivastava计划于2025年10月，在生物医学工程学会的全国性会议上公布这一研究成果，同时他期望能与更多的团队携手合作，共同加速这一技术的进步。随着研究的不断推进，我们热切期望这一创新型的模型能够在癌症治疗这一领域取得显著的进展。