NIR-II分子熒光團的呋喃供體有效增強生物成像性能

本文要點：含有供體-受體-供體共軛主鏈的第二個近紅外（NIR-II，1000至1700 nm）分子熒光團由于其出色的優(yōu)勢（例如穩(wěn)定的發(fā)射和易于調節(jié)的光物理性質）而備受關注。然而，如何同時實現(xiàn)高亮度和紅移吸收和發(fā)射仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，采用呋喃作為D單元來構建NIR-II熒光團，與通常使用的噻吩單元相比，表現(xiàn)出吸收紅移，增強吸收系數(shù)和熒光量子產(chǎn)率。優(yōu)化的熒光團IR-FFCHP的高亮度和理想的藥代動力學賦予血管造影和腫瘤靶向成像改善的性能。此外，使用IR-FFCHP和PbS/CdS量子點已經(jīng)實現(xiàn)了腫瘤和前哨淋巴結（LN）的雙NIR-II成像，使得能夠在荷瘤小鼠中進行體內(nèi)成像導航LN手術。這項工作證明了呋喃構建用于生物成像的明亮NIR-II熒光團的潛力。

背景：近紅外二區(qū)（NIR-II，1,000到1,700 nm）熒光成像具有更深的穿透力和更高的信噪比，是一種有前景的生物成像技術，NIR-II熒光探針是實現(xiàn)高性能成像的關鍵，但目前的探針亮度通常不高，吸收和發(fā)射波長不夠長。有機NIR-II熒光探針中，具有D-A-D共軛骨架的分子具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性和易調節(jié)的光物理性質。D單元對于調節(jié)分子的吸收或發(fā)射波長、量子產(chǎn)率和吸收系數(shù)等性質有重要影響，但目前大多使用噻吩衍生物作為D單元，而噻吩衍生物作為D單元可能導致分子在水溶液中發(fā)生藍移或量子產(chǎn)率降低。本文首ci采用呋喃作為D單元構建NIR-II熒光探針，并通過精細設計側鏈提高了分子在水溶液中的亮度和穩(wěn)定性。

研究內(nèi)容：設計并合成了兩種具有S-D-A-D-S結構的NIR-II熒光探針，分別是IR-FFC8、IR-FFCH，其中D單元為呋喃，A單元為BBTD，S單元為二辛基取代的芴。表征了這兩種探針的光物理性質，并與之前報道的噻吩類探針進行了比較。通過體外細胞實驗驗證了這兩種探針的低毒性和高細胞攝取率，并發(fā)現(xiàn)IR-FFCHP可以有效地靶向腫瘤細胞。通過體內(nèi)小鼠實驗展示了這兩種探針在血管成像和腫瘤靶向成像方面的優(yōu)異表現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)IR-FFCHP可以實現(xiàn)全身血管成像和腫瘤淋巴結顯影。通過與PbS/CdS量子點探針聯(lián)用，實現(xiàn)了雙色NIR-II成像，并指導了腫瘤淋巴結切除術。

Figure 1 為兩種未經(jīng)PEG化的熒光分子IR-FFC8和IR-FFCH以及兩種經(jīng)過PEG化的熒光分子IR-FFC8P和IR-FFCHP的光物理性質，包括吸收峰、吸收系數(shù)、發(fā)射峰和量子產(chǎn)率。研究將這些熒光分子與使用噻吩作為給電子基團的熒光分子IR-FA和IR-FEP進行了比較，發(fā)現(xiàn)使用呋喃可以使吸收峰紅移80 nm，吸收系數(shù)增加，量子產(chǎn)率提高。特別是，IR-FFCHP在水溶液中具有最gao的量子產(chǎn)率（0.73%），也是目前S-D-A-D-S型熒光分子中最gao的之一。S-D-A-D-S型熒光分子是指具有給電子基團–受電子基團–給電子基團（D-A-D）共軛骨架并在兩端加入屏蔽單元（S）的熒光分子，它們具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性和可調節(jié)的光學性質，適用于生物成像等領域。

Figure 1

Figure 2 為根據(jù)分子動力學模擬，水和熒光團在水中的相互作用示意圖，展示不同的熒光分子在水溶液中與水分子的相互作用，通過分子動力學模擬計算。熒光分子包含一個BBTD（雙苯并噻二唑）受體單元和兩個呋喃或噻吩供體單元，以及一個PEG（聚乙二醇）鏈。圖中顯示了水分子的氧原子圍繞BBTD核心的徑向分布函數(shù)（RDF），以及BBTD周圍的水分子數(shù)量。結果表明，呋喃供體單元可以減少水分子與BBTD核心的相互作用，從而提高熒光量子產(chǎn)率和熒光穩(wěn)定性。

Figure 2

Figure 3 展示了幾種熒光探針在小鼠體內(nèi)的成像效果，包括全身血管、后肢血管和腦血管的成像比較IR-FFCHP和ICG兩種熒光探針在小鼠體內(nèi)的血管成像效果。結果顯示，IR-FFCHP可以清晰地顯示小鼠全身和后肢的血管結構，并且具有較高的信噪比（SBR）。相比之下，ICG在小鼠體內(nèi)的分布較為均勻，無法區(qū)分出血管細節(jié)，并且SBR隨著時間下降。圖3E和F分別顯示了ICG和IR-FFCHP在不同時間點腦血管成像的PL強度和SBR變化。此外，IR-FFCHP還可以顯示出小鼠腦部的血管網(wǎng)絡，而ICG則無法實現(xiàn)這一點。這表明IR-FFCHP是一種優(yōu)異的熒光探針，適用于近紅外二區(qū)的深層組織成像。

Figure 3

Figure 4 研究了熒光探針I(yè)R-FFCHP在小鼠體內(nèi)的藥代動力學和腫瘤靶向成像的結果。如圖顯示了IR-FFCHP在小鼠體內(nèi)主要通過肝膽排泄途徑清除，并且能夠有效地被4T1乳腺癌模型小鼠的腫瘤吸收，達到高質量的腫瘤靶向成像。這些結果表明了IR-FFCHP作為一種新型的近紅外二區(qū)熒光探針具有很好的生物相容性和光學性能。

Figure 4

Figure 5 介紹了一種利用雙色近紅外二區(qū)（NIR-II，1000-1700 nm）熒光成像技術指導腫瘤和淋巴結切除手術的方法。展示用IR-FFCHP和PdS/CdS實現(xiàn)雙色NIR-II成像的效果，可以同時定位腫瘤和淋巴結。結果顯示，通過不同的濾波器，可以清晰地區(qū)分出左右兩只腳注射的熒光團，并且觀察到淋巴結在NIR-IIb通道下有較強的信號。這表明了IR-FFCHP和PdS/CdS可以用于腫瘤和淋巴結的雙色NIR-II成像和導航手術。

Figure 5

總結：本文首ci采用呋喃作為D單元構建NIR-II熒光探針，實現(xiàn)了吸收和發(fā)射波長的紅移和吸收系數(shù)和熒光量子產(chǎn)率的提高，相比于常用的噻吩類探針具有更高的亮度。精心設計了呋喃上的側鏈，從正辛基到環(huán)己基甲基，有效地降低了分子間相互作用和水分子對分子骨架的影響，提高了探針在水溶液中的穩(wěn)定性和熒光壽命。優(yōu)化了探針I(yè)R-FFCHP的結構，使其具有最jia的水溶性和亮度，在體內(nèi)實現(xiàn)了高分辨率的全身血管成像和腫瘤淋巴結顯影，并與PbS/CdS量子點聯(lián)用實現(xiàn)了雙色NIR-II成像。展示了呋喃在構建高性能NIR-II熒光探針方面的潛力，為生物成像領域提供了一種新型的D單元選擇，并為腫瘤診斷和治療提供了一種有效的工具。

參考文獻

Liu, C., Li, M., Ma, H., Hu, Z., Wang, X., Ma, R., et al. (2023). Furan Donor for NIR-II Molecular Fluorophores with Enhanced Bioimaging Performance. Research, 6. 

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近紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀

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