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荧光探针 | NIR-II分子荧光团的呋喃供体有效增强生物成像性能

发布时间:2023-04-11 11:05

本文要点:含有供体-受体-供体共轭主链的第二个近红外(NIR-II,1000至1700 nm)分子荧光团由于其出色的优势(例如稳定的发射和易于调节的光物理性质)而备受关注。然而,如何同时实现高亮度和红移吸收和发射仍然具有挑战性。在此,采用呋喃作为D单元来构建NIR-II荧光团,与通常使用的噻吩单元相比,表现出吸收红移,增强吸收系数和荧光量子产率。优化的荧光团IR-FFCHP的高亮度和理想的药代动力学赋予血管造影和肿瘤靶向成像改善的性能。此外,使用IR-FFCHP和PbS/CdS量子点已经实现了肿瘤和前哨淋巴结(LN)的双NIR-II成像,使得能够在荷瘤小鼠中进行体内成像导航LN手术。这项工作证明了呋喃构建用于生物成像的明亮NIR-II荧光团的潜力。


背景:近红外二区(NIR-II,1,000到1,700 nm)荧光成像具有更深的穿透力和更高的信噪比,是一种有前景的生物成像技术,NIR-II荧光探针是实现高性能成像的关键,但目前的探针亮度通常不高,吸收和发射波长不够长。有机NIR-II荧光探针中,具有D-A-D共轭骨架的分子具有优异的光稳定性和易调节的光物理性质。D单元对于调节分子的吸收或发射波长、量子产率和吸收系数等性质有重要影响,但目前大多使用噻吩衍生物作为D单元,而噻吩衍生物作为D单元可能导致分子在水溶液中发生蓝移或量子产率降低。本文首次采用呋喃作为D单元构建NIR-II荧光探针,并通过精细设计侧链提高了分子在水溶液中的亮度和稳定性。


研究内容:设计并合成了两种具有S-D-A-D-S结构的NIR-II荧光探针,分别是IR-FFC8、IR-FFCH,其中D单元为呋喃,A单元为BBTD,S单元为二辛基取代的芴。表征了这两种探针的光物理性质,并与之前报道的噻吩类探针进行了比较。通过体外细胞实验验证了这两种探针的低毒性和高细胞摄取率,并发现IR-FFCHP可以有效地靶向肿瘤细胞。通过体内小鼠实验展示了这两种探针在血管成像和肿瘤靶向成像方面的优异表现,并发现IR-FFCHP可以实现全身血管成像和肿瘤淋巴结显影。通过与PbS/CdS量子点探针联用,实现了双色NIR-II成像,并指导了肿瘤淋巴结切除术。


Figure 1 为两种未经PEG化的荧光分子IR-FFC8和IR-FFCH以及两种经过PEG化的荧光分子IR-FFC8P和IR-FFCHP的光物理性质,包括吸收峰、吸收系数、发射峰和量子产率。研究将这些荧光分子与使用噻吩作为给电子基团的荧光分子IR-FA和IR-FEP进行了比较,发现使用呋喃可以使吸收峰红移80 nm,吸收系数增加,量子产率提高。特别是,IR-FFCHP在水溶液中具有最高的量子产率(0.73%),也是目前S-D-A-D-S型荧光分子中最高的之一。S-D-A-D-S型荧光分子是指具有给电子基团–受电子基团–给电子基团(D-A-D)共轭骨架并在两端加入屏蔽单元(S)的荧光分子,它们具有优异的光稳定性和可调节的光学性质,适用于生物成像等领域。


Figure 1


Figure 2 为根据分子动力学模拟,水和荧光团在水中的相互作用示意图,展示不同的荧光分子在水溶液中与水分子的相互作用,通过分子动力学模拟计算。荧光分子包含一个BBTD(双苯并噻二唑)受体单元和两个呋喃或噻吩供体单元,以及一个PEG(聚乙二醇)链。图中显示了水分子的氧原子围绕BBTD核心的径向分布函数(RDF),以及BBTD周围的水分子数量。结果表明,呋喃供体单元可以减少水分子与BBTD核心的相互作用,从而提高荧光量子产率和荧光稳定性。

Figure 2


Figure 3 展示了几种荧光探针在小鼠体内的成像效果,包括全身血管、后肢血管和脑血管的成像比较IR-FFCHP和ICG两种荧光探针在小鼠体内的血管成像效果。结果显示,IR-FFCHP可以清晰地显示小鼠全身和后肢的血管结构,并且具有较高的信噪比(SBR)。相比之下,ICG在小鼠体内的分布较为均匀,无法区分出血管细节,并且SBR随着时间下降。图3E和F分别显示了ICG和IR-FFCHP在不同时间点脑血管成像的PL强度和SBR变化。此外,IR-FFCHP还可以显示出小鼠脑部的血管网络,而ICG则无法实现这一点。这表明IR-FFCHP是一种优异的荧光探针,适用于近红外二区的深层组织成像。


Figure 3


Figure 4 研究了荧光探针IR-FFCHP在小鼠体内的药代动力学和肿瘤靶向成像的结果。如图显示了IR-FFCHP在小鼠体内主要通过肝胆排泄途径清除,并且能够有效地被4T1乳腺癌模型小鼠的肿瘤吸收,达到高质量的肿瘤靶向成像。这些结果表明了IR-FFCHP作为一种新型的近红外二区荧光探针具有很好的生物相容性和光学性能。


Figure 4


Figure 5 介绍了一种利用双色近红外二区(NIR-II,1000-1700 nm)荧光成像技术指导肿瘤和淋巴结切除手术的方法。展示用IR-FFCHP和PdS/CdS实现双色NIR-II成像的效果,可以同时定位肿瘤和淋巴结。结果显示,通过不同的滤波器,可以清晰地区分出左右两只脚注射的荧光团,并且观察到淋巴结在NIR-IIb通道下有较强的信号。这表明了IR-FFCHP和PdS/CdS可以用于肿瘤和淋巴结的双色NIR-II成像和导航手术。


Figure 5


总结:本文首次采用呋喃作为D单元构建NIR-II荧光探针,实现了吸收和发射波长的红移和吸收系数和荧光量子产率的提高,相比于常用的噻吩类探针具有更高的亮度。精心设计了呋喃上的侧链,从正辛基到环己基甲基,有效地降低了分子间相互作用和水分子对分子骨架的影响,提高了探针在水溶液中的稳定性和荧光寿命。优化了探针IR-FFCHP的结构,使其具有最佳的水溶性和亮度,在体内实现了高分辨率的全身血管成像和肿瘤淋巴结显影,并与PbS/CdS量子点联用实现了双色NIR-II成像。展示了呋喃在构建高性能NIR-II荧光探针方面的潜力,为生物成像领域提供了一种新型的D单元选择,并为肿瘤诊断和治疗提供了一种有效的工具。


参考文献

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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