本文要點：近紅外二區(qū)（NIR-II）光學(xué)成像技術(shù)以其較高的成像對比度成為診斷和圖像引導(dǎo)手術(shù)的有力工具。然而，由于NIR-II染料的合成難度較大，阻礙了NIR-II生物探針的快速發(fā)展，目前還缺乏有效設(shè)計NIR-II有機(jī)分子的通用策略。本文通過對62個多芳基吡咯（MAP）體系的理論計算，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整MAP上取代基的類型和位置，可以實現(xiàn)光譜向NIR-II區(qū)的連續(xù)紅移。兩個指標(biāo)（ΔEgs和μgs）與最大吸收/發(fā)射波長具有很強的相關(guān)性，只有當(dāng)ΔEgs≤2.5 eV和μgs≤22.55 D時，該指標(biāo)才能用于預(yù)測NIR-II區(qū)域的發(fā)射光譜。10個MAP的實驗吸收和發(fā)射光譜充分證實了理論預(yù)測，新設(shè)計的MAP23-BBT活體生物成像在深部組織血管成像中顯示了NIR-II區(qū)域的高空間分辨率。更重要的是，ΔEgs和μgs的描述符已顯示出普遍適用于大多數(shù)已報道的供體-受體-供體型非MAP NIR-II染料。這些結(jié)果對NIR-II染料的高效設(shè)計具有廣泛的指導(dǎo)意義。

 

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本工作設(shè)計了62個D-A型MPA，通過系統(tǒng)密度泛函理論計算研究了分子結(jié)構(gòu)與熒光光譜的關(guān)系。結(jié)果表明，通過調(diào)整吡咯環(huán)2,5-位和3-位取代基的類型，可以使光譜連續(xù)紅移到NIR-II區(qū)。我們發(fā)現(xiàn)，MAPs的熒光發(fā)射與S0處的兩個關(guān)鍵物理參數(shù)HOMO-LUMO能隙（ΔEgs）和分子電偶極矩（μgs）密切相關(guān)。利用這兩個物理參數(shù)可以有效地預(yù)測熒光光譜的變化趨勢。當(dāng)ΔEgs≤2.50 eV和μgs≤22.55 D時，發(fā)射光譜達(dá)到NIR-II區(qū)域。通過光譜實驗成功驗證了理論預(yù)測，設(shè)計的MAP23-BBT在NIR-II區(qū)域發(fā)射，具有良好的高分辨率生物成像性能。重要的是，這兩個指標(biāo)普遍適用于大多數(shù)報告的具有NIR-II發(fā)射的D-A-D型有機(jī)染料。該研究不僅加深了對結(jié)構(gòu)與光譜性質(zhì)關(guān)系的理解，而且為NIR-II熒光染料的開發(fā)提供了有價值的理論指導(dǎo)。

圖 1. MAP的合理設(shè)計策略

 

為了實現(xiàn)對NIR-II染料的預(yù)測，設(shè)計了一系列基于MAP1和MAP2的D-A型MAP，如圖1所示。在這里，供體基團(tuán)被摻入吡咯環(huán)的 2,5 位以延長分子內(nèi)偶聯(lián)，受體基團(tuán)被連接在 3 位以構(gòu)建具有 D-A 圖案的染料。此外，MAPs的3位受體與中心吡咯環(huán)之間的小扭曲角促進(jìn)了電子-空穴分離和激發(fā)時的紅移發(fā)射。

圖2.（a）所選參數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣和（b）計算μGS系列設(shè)計的 52 個 MAP

 

在理論計算的基礎(chǔ)上，建立了MAPs分子幾何形狀與吸收/發(fā)射光譜的關(guān)系，為NIR-II熒光染料的合理設(shè)計提供了前提。為了簡單起見，進(jìn)一步提出了分子描述符，以有效地評估實驗中具有NIR-II光譜的熒光染料。
分子描述符與λABS和 λEM相關(guān)，并具有對應(yīng)的線性關(guān)系，通過使用Pearson的相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行量化（圖2a和S12）。r 的絕對值越高，表示兩個描述符之間的相關(guān)性越強。最終選擇了MAP在S0處的ΔEGS和μGS 作為評估NIR-II染料的分子描述符。根據(jù)擬合線，預(yù)測了ΔEGS和μGS用于 NIR-II 染料 （λEM= 1000 nm）的閾值分別為2.50 eV和22.55 D。因此，本文提出了ΔEGS≤ 2.50 eV 和μGS≤ 22.55 D的標(biāo)準(zhǔn)，用于預(yù)測NIR-II染料。也就是說，如果有機(jī)染料的這兩個描述符符合標(biāo)準(zhǔn)，則它們的發(fā)射光譜在NIR-II窗口內(nèi)。這兩個描述符非常適合表征光譜，并且可以快速篩選出 λEM可以到達(dá) NIR-II 區(qū)域的染料。

圖3. 新設(shè)計的10個MAP的化學(xué)結(jié)構(gòu)及驗證

 

基于提出的兩個關(guān)鍵分子描述符（ΔEGS和μGS），選擇了一系列稱為MAP-EV的實驗驗證MAP來確認(rèn)計算結(jié)果，即MAP-EV1-9和MAP23-BBT，如圖3所示。只有MAP23-BBT滿足上述標(biāo)準(zhǔn)（ΔEGS≤ 2.50 eV 和μGS≤ 22.55 D） ΔEGS = 1.84 eV 和 μGS= 3.52 D（圖3c），表明其NIR-II發(fā)射能力。MAP23-BBT表現(xiàn)出良好的NIR-II性能，最大發(fā)射峰達(dá)到1107 nm，計算出的MAP23-BBT發(fā)射波長為1499 nm，與實驗結(jié)果吻合。在實驗中還探索了MAP23-BBT的AIE性質(zhì)。四氫呋喃（THF）和己烷分別被選為MAP23-BBT的良好和較差溶劑。很明顯，由于溶劑效應(yīng)和MAP23-BBT的聚集，在THF/己烷混合物中將己烷的體積分?jǐn)?shù)從0增加到90 vol %時，PL強度增加了∼7倍。進(jìn)一步增加己烷與99 vol %的比值，由于形成較大的無序聚集體，熒光強度略有降低。

 

圖4. MAP23-BBT NPs NIR-II測試

 

由于NIR-II發(fā)射在深層組織穿透和抗背景干擾方面具有巨大優(yōu)勢，進(jìn)一步探討了MAP23-BBT在生物成像中的潛在應(yīng)用。為了增強體內(nèi)的生物相容性和隨后的血管成像，使用兩親性聚合物 1,2-二硬脂�；�-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺–n [甲氧基（聚乙二醇）-2000] （DSPE–PEG） 制備了 MAP23-BBT 納米顆粒 （MAP23-BBT NPs）。MAP23-BBT NPs的最大吸收峰位于855 nm，最大發(fā)射峰達(dá)到1081 nm，尾部波長延伸至1300–1400 nm，如圖4a所示。與美國食品和藥物管理局 （FDA） 批準(zhǔn)的 NIR 染料吲哚菁綠 （ICG）對比，如圖 5b所示，用 0.5 W/cm 的 808 nm 激光處理后在20 min內(nèi)，MAP23-BBT NPs的吸收強度恒定，而ICG的吸收強度急劇下降， MAP23-BBT NPs具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性。此外，通過定量熒光亮度對比，MAP23-BBT NPs在1075 nm、1175和1300 nm長波長通濾光片下的增強發(fā)射強度分別是ICG的1.40、3.93和8.88倍，如圖4c所示。隨后，向Balb/c小鼠靜脈注射MAP23-BBT NPs（200μL，2mg/mL）進(jìn)行NIR-II血管造影，小鼠全身血管清晰可見。為了評估成像的空間分辨率，從小鼠背部和下肢的兩個血管區(qū)域提取橫截面信號強度。計算的直徑分別為146μm和299μm，對應(yīng)于信號背景比（SBR，血管與肌肉比）分別為3.1和3.3（圖4d）�？偠�言之，這些發(fā)現(xiàn)表明MAP23-BBT NPs可以在深部組織血管造影中實現(xiàn)NIR-II成像的高空間分辨率。

 

結(jié)論：
綜上所述，從理論上設(shè)計了62個光譜范圍從可見光到NIR-II區(qū)的MAPs，以探索分子結(jié)構(gòu)與光譜特性之間的關(guān)系。通過調(diào)整MAPs吡咯環(huán)上的D-和A-部分類型或取代基位點，實現(xiàn)了光譜從I類和II類到III類向NIR-II區(qū)域的連續(xù)紅移。兩個描述符 （ΔEGS和μGS）被鑒定為與發(fā)射波長表現(xiàn)出強大的線性相關(guān)性。這些描述符能夠預(yù)測NIR-II染料，而無需實驗合成和復(fù)雜的激發(fā)態(tài)優(yōu)化。具體來說，具有兩個滿足標(biāo)準(zhǔn)的描述符的有機(jī)染料，ΔEGS≤ 2.50 eV 和 μGS≤ 22.55 D，所有都表現(xiàn)出NIR-II發(fā)射。10 個 MAP 的實驗吸收和發(fā)射光譜充分證實了理論預(yù)測，MAP23-BBT 體內(nèi)生物成像顯示深部組織血管造影中 NIR-II 區(qū)的空間分辨率較高，優(yōu)于商業(yè)染料 ICG。本文提出的描述符對大多數(shù)報道的D-A-D-型非MAP NIR-II染料具有普遍適用性。需要注意的是，這兩個分子描述符是專門為預(yù)測NIR-II發(fā)射而量身定制的，但無法描述聚集效應(yīng)。然而，所設(shè)計的MAP的AIE特性可以在一定程度上補償聚集態(tài)的弱發(fā)射，導(dǎo)致聚集狀態(tài)下的NIR-II染料亮度相對較高。該研究不僅為分子結(jié)構(gòu)和光譜特性之間的復(fù)雜關(guān)系提供了新的見解，而且還確定了NIR-II系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵描述符。本研究結(jié)果為NIR-II熒光探針的合理設(shè)計和高通量篩選提供了有價值的理論指導(dǎo)。

 

參考文獻(xiàn)

Zeng Y, Qu J, Wu G, et al. Two Key Descriptors for Designing Second Near-Infrared Dyes and Experimental Validation[J]. Journal of the American Chemical Society, 2024, 146(14): 9888-9896.

 

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