本文要點(diǎn)：含有供體-受體-供體共軛主鏈的第二個(gè)近紅外（NIR-II，1000至1700 nm）分子熒光團(tuán)由于其出色的優(yōu)勢(shì)（例如穩(wěn)定的發(fā)射和易于調(diào)節(jié)的光物理性質(zhì)）而備受關(guān)注。然而，如何同時(shí)實(shí)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(lái)構(gòu)建NIR-II熒光團(tuán)，與通常使用的噻吩單元相比，表現(xiàn)出吸收紅移，增強(qiáng)吸收系數(shù)和熒光量子產(chǎn)率。優(yōu)化的熒光團(tuán)IR-FFCHP的高亮度和理想的藥代動(dòng)力學(xué)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(diǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了腫瘤和前哨淋巴結(jié)（LN）的雙NIR-II成像，使得能夠在荷瘤小鼠中進(jìn)行體內(nèi)成像導(dǎo)航LN手術(shù)。這項(xiàng)工作證明了呋喃構(gòu)建用于生物成像的明亮NIR-II熒光團(tuán)的潛力。
 

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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(shù)，NIR-II熒光探針是實(shí)現(xiàn)高性能成像的關(guān)鍵，但目前的探針亮度通常不高，吸收和發(fā)射波長(zhǎng)不夠長(zhǎng)。有機(jī)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(diào)節(jié)的光物理性質(zhì)。D單元對(duì)于調(diào)節(jié)分子的吸收或發(fā)射波長(zhǎng)、量子產(chǎn)率和吸收系數(shù)等性質(zhì)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(dǎo)致分子在水溶液中發(fā)生藍(lán)移或量子產(chǎn)率降低。本文首次采用呋喃作為D單元構(gòu)建NIR-II熒光探針，并通過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)側(cè)鏈提高了分子在水溶液中的亮度和穩(wěn)定性。

 

研究?jī)?nèi)容：設(shè)計(jì)并合成了兩種具有S-D-A-D-S結(jié)構(gòu)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(zhì)，并與之前報(bào)道的噻吩類探針進(jìn)行了比較。通過(guò)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這兩種探針的低毒性和高細(xì)胞攝取率，并發(fā)現(xiàn)IR-FFCHP可以有效地靶向腫瘤細(xì)胞。通過(guò)體內(nèi)小鼠實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)全身血管成像和腫瘤淋巴結(jié)顯影。通過(guò)與PbS/CdS量子點(diǎn)探針聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了雙色NIR-II成像，并指導(dǎo)了腫瘤淋巴結(jié)切除術(shù)。

 

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(guò)PEG化的熒光分子IR-FFC8P和IR-FFCHP的光物理性質(zhì)，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(tuán)的熒光分子IR-FA和IR-FEP進(jìn)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在水溶液中具有最高的量子產(chǎn)率（0.73%），也是目前S-D-A-D-S型熒光分子中最高的之一。S-D-A-D-S型熒光分子是指具有給電子基團(tuán)–受電子基團(tuán)–給電子基團(tuán)（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(diào)節(jié)的光學(xué)性質(zhì)，適用于生物成像等領(lǐng)域。

Figure 1

 

Figure 2 為根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬，水和熒光團(tuán)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(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算。熒光分子包含一個(gè)BBTD（雙苯并噻二唑）受體單元和兩個(gè)呋喃或噻吩供體單元，以及一個(gè)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(jié)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(jié)果顯示，IR-FFCHP可以清晰地顯示小鼠全身和后肢的血管結(jié)構(gòu)，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(wú)法區(qū)分出血管細(xì)節(jié)，并且SBR隨著時(shí)間下降。圖3E和F分別顯示了ICG和IR-FFCHP在不同時(shí)間點(diǎn)腦血管成像的PL強(qiáng)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(luò)，而ICG則無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。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(dòng)力學(xué)和腫瘤靶向成像的結(jié)果。如圖顯示了IR-FFCHP在小鼠體內(nèi)主要通過(guò)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(dá)到高質(zhì)量的腫瘤靶向成像。這些結(jié)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(xué)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(shù)指導(dǎo)腫瘤和淋巴結(jié)切除手術(shù)的方法。展示用IR-FFCHP和PdS/CdS實(shí)現(xiàn)雙色NIR-II成像的效果，可以同時(shí)定位腫瘤和淋巴結(jié)。結(jié)果顯示，通過(guò)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(tuán)，并且觀察到淋巴結(jié)在NIR-IIb通道下有較強(qiáng)的信號(hào)。這表明了IR-FFCHP和PdS/CdS可以用于腫瘤和淋巴結(jié)的雙色NIR-II成像和導(dǎo)航手術(shù)。
 

Figure 5

 

總結(jié)：本文首次采用呋喃作為D單元構(gòu)建NIR-II熒光探針，實(shí)現(xiàn)了吸收和發(fā)射波長(zhǎng)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(shè)計(jì)了呋喃上的側(cè)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(duì)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(jié)構(gòu)，使其具有最佳的水溶性和亮度，在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高分辨率的全身血管成像和腫瘤淋巴結(jié)顯影，并與PbS/CdS量子點(diǎn)聯(lián)用實(shí)現(xiàn)了雙色NIR-II成像。展示了呋喃在構(gòu)建高性能NIR-II熒光探針?lè)矫娴臐摿�，為生物成像領(lǐng)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(xiàn)

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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