近紅外二區(qū)紅外成像：J聚集體穩(wěn)定在中空介孔二氧化硅納米粒子中

本文要點(diǎn)：組織對(duì)短波紅外線(xiàn)，即近紅外二區(qū)NIR-II 是半透明的，使光學(xué)成像在這一區(qū)域表現(xiàn)優(yōu)異。然而，光學(xué)SWIR成像的廣泛使用一直受到限制，部分原因是缺乏吸收和發(fā)射1000納米以上光的明亮、生物兼容的造影劑。

 

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J-聚集體提供了一種將穩(wěn)定的近紅外(NIR)熒光團(tuán)轉(zhuǎn)化為紅移SWIR造影劑的方法。本文作者證明了可以在空心介孔二氧化硅納米顆粒(HMSNs)內(nèi)部制備N(xiāo)IR熒光團(tuán)IR-140的聚集體，從而形成吸收和發(fā)射SWIR光的納米材料。聚乙二醇化的HMSN內(nèi)的J-聚集體在緩沖液中穩(wěn)定數(shù)周，并能在980 nm激發(fā)下進(jìn)行高分辨率活體成像。
 

圖1.(A)用于光學(xué)成像的電磁頻譜區(qū)域 (B)J聚集和特征光物理性質(zhì)；C)IR-140；(D)IR-140 J-聚集體在中空介孔二氧化硅納米顆粒(HMSN)中的穩(wěn)定，以產(chǎn)生生物相容性的SWIR發(fā)射造影劑

 

J-聚集是發(fā)色團(tuán)的滑動(dòng)堆疊排列，導(dǎo)致激發(fā)態(tài)躍遷偶極子的建設(shè)性耦合(圖1B)。J-聚集的光物理后果是吸收和發(fā)射光譜發(fā)生紅移，吸收和發(fā)射波段窄，斯托克斯位移小，吸收系數(shù)(ε)增強(qiáng)，熒光壽命縮短，從而提高量子產(chǎn)率(ΦF)和循環(huán)速率。J聚集體的許多特性對(duì)于活體成像是有益的：紅移的吸收和發(fā)射光譜將使激發(fā)和圖像采集過(guò)程中的深度穿透，窄帶可以促進(jìn)多路成像，而增加的ε將產(chǎn)生明亮的材料。J-聚集體通常比單體具有顯著的光物理優(yōu)勢(shì)，但由于難以在復(fù)雜的環(huán)境中獲得和穩(wěn)定必要的發(fā)色團(tuán)排列，使用J-聚集體進(jìn)行活體成像的報(bào)道很少。而納米結(jié)構(gòu)可以隔離和保護(hù)有效載荷，使其成為一種在體內(nèi)穩(wěn)定J-聚集體很有前途的方法。

 

空心介孔二氧化硅納米顆粒(HMSN)有2−4 nm的孔，這些孔開(kāi)放到一個(gè)10−200 nm大空腔，使得這些納米結(jié)構(gòu)能夠承載大量的貨物。首先，為了在HMSN中實(shí)現(xiàn)SWIR-發(fā)射J-聚集體，作者使用了七甲基染料IR-140。IR-140是一種商品化的近紅外熒光團(tuán)(λ(Max)，abs=826 nm，λ(Max)，em=875 nm)，已被用作光聚合引發(fā)劑、熒光有效載荷、等離子體陣列的組分、以及Raman和雙光子成像劑。16年報(bào)道，將IR-140引入谷胱甘肽包裹的量子點(diǎn)可以形成J-聚集體，觀察到兩個(gè)聚集體，作者設(shè)想，類(lèi)似的IR-140 J聚集體可以在HMSN的帶負(fù)電荷的孔隙和內(nèi)表面形成。此外，一旦聚集體在顆粒內(nèi)部組裝，IR-140的疏水性質(zhì)將使它們不太可能在水環(huán)境中解體，從而使J-聚集體在體內(nèi)穩(wěn)定。
 

圖2.(A)將IR-140加載到HMSN的示意圖；(B)洗滌條件有利于J-聚集；(C，D)經(jīng)(D)IR-140處理和未經(jīng)(C)IR-140處理的HMSN的TEM圖像

 

然后作者用不同量的IR-140在不同溶劑中處理HMSN（圖2A）。發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶解在DMSO中的IR-140與HMSN結(jié)合并洗滌時(shí)，可以獲得SWIR J-聚集體。事實(shí)證明，洗滌程序?qū)τ讷@得所需的J2聚集體形成至關(guān)重要（圖2B），溫和的PBS洗滌可產(chǎn)生最大量的所需J2聚集體（深藍(lán)色，圖2B）。通過(guò)分析洗滌程序后收集的IR-140，計(jì)算出IR140的加載量為~103分子顆粒。通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步表征HMSN，其顯示具有明顯空腔和孔的~85nm顆粒（圖2C）。通過(guò)氮吸附實(shí)驗(yàn)將孔徑定量為3.2nm。雖然在空HMSN的TEM中孔清晰可見(jiàn)，但在用IR-140處理后它們變暗（圖2D），表明存在IR-140。

 

在確認(rèn)HMSN可以促進(jìn)IR-140的聚集之后，用聚（乙二醇）（PEG）修飾表面，使得它們可以懸浮在水性介質(zhì)中。此過(guò)程導(dǎo)致HMSN在外部帶正電荷，但仍包含帶負(fù)電荷的內(nèi)部以與陽(yáng)離子IR140締合。將IR-140引入HMSN APTS的過(guò)程與HMSN相似，產(chǎn)生類(lèi)似的IR-140負(fù)載和更高的J2：J1的比例。
 

圖3.(A)IR-140聚集體在HMSNS中的歸一化吸收和發(fā)射-PEG(藍(lán)色)，J-聚集體在溶液中(紅色)和單體(黃色)；(B)在980 nm激發(fā)下，IR-140單體(左)、溶液中的J-聚集體(中)和HMSNS-−中的J-聚集體(右)的發(fā)射；(C)在第0天(固體)和第1天或第14天(虛線(xiàn))，IR-140 J-聚集體在35%DMSO/0.9%NaCl水中(紅色)和HMSNS-PEG在PBS(藍(lán)色)中的歸一化相對(duì)吸收;(D)IR-140 J-聚集體在HMSNS-PEG(藍(lán)色)和IR-140 J-聚集體在35%DMSO/0.9%NaCl水中(紅色)和IR-140 J-聚集體在DMSO中的光穩(wěn)定性(紅色)和單體在DMSO(黃色)中的光穩(wěn)定性

 

接下來(lái)，評(píng)估了含有IR-140的聚乙二醇化HMSN(HMSNS-PEG)的光物理性能，并與單體和J-聚集體的IR-140在溶液中進(jìn)行了比較(圖3A)。單體IR-140得到了很好的表征；發(fā)現(xiàn)35%DMSO/0.9%NaCl在水中形成了所需的SWIR J-聚集體，其中最大abs 1042nm，最大em 1043nm。含有HMSNs-PEG的IR-140具有相似的光譜性質(zhì)。當(dāng)用980nm激光激發(fā)IR140在DMSO中的溶液，在35%DMSO/0.9%NaCl水溶液中的IR-140和在PBS中加載IR-140的HMSNs-PEG時(shí)，用于體內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)的波長(zhǎng)，溶液和顆粒中的IR-140 J聚集體具有相似的發(fā)射性，而單體不受980 nm光激發(fā)（圖3B）。因此，聚集對(duì)于低能量激發(fā)的SWIR成像至關(guān)重要。

 

接著作者又分析了HMSN在穩(wěn)定IR140 J-聚集體中的作用。在室溫下在PBS中超過(guò)2周，觀察到載有IR140的HMSNs-PEG的吸光度僅降低~10%，并且沒(méi)有證據(jù)表明IR-140在納米顆粒內(nèi)的包裝正在改變（圖3C，藍(lán)色）。HMSN不僅穩(wěn)定了J-聚集體的組裝，而且還增強(qiáng)了光穩(wěn)定性。

 

用InGaAs照相機(jī)測(cè)量熒光強(qiáng)度，通過(guò)在785nm（97mW/cm 2）激發(fā)來(lái)評(píng)估單體IR-140在DMSO中的光穩(wěn)定性。如圖3D所示，HMSNs-PEG中的聚集體比溶液中的J聚集體穩(wěn)定4倍，比單體穩(wěn)定約60倍。該結(jié)果與使用二氧化硅殼通過(guò)限制可進(jìn)入聚集體的活性氧物質(zhì)的量來(lái)克服J-聚集體特有的差的光穩(wěn)定性是一致的。綜上所述，我們的數(shù)據(jù)表明，HMSNs對(duì)于穩(wěn)定J-聚集體的光和溶液至關(guān)重要。
 

圖4.靜脈注射16fps(980 nm，91 mW/cm~2激發(fā)；1000−1700 nm采集)的大鼠成像;在注射后3s(A)、8s(B)、25s(C)和120s(D)在5幀內(nèi)平均減去背景的靜止圖像

 

最后，通過(guò)制備和表征明亮的SWIR發(fā)射納米粒子，評(píng)估了它們的生物相容性和體內(nèi)成像性能。體外研究數(shù)據(jù)與關(guān)于介孔二氧化硅的其他研究一致，介孔二氧化硅通常被認(rèn)為對(duì)動(dòng)物無(wú)毒。使用IR-140加載的HMSNs-PEG在980 nm激發(fā)并從1000-1700 nm收集進(jìn)行了體內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)。將發(fā)射性HMSNs-PEG靜脈內(nèi)注射到裸鼠和小鼠體內(nèi)立即成像（圖4）HMSNs-PEG從血流中迅速清除，在肺，肝和脾中可見(jiàn)強(qiáng)烈信號(hào)。注射后50分鐘，這些器官內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度保持恒定。

 

綜上所述，作者提出了IR-140的J-聚集體作為一種制備生物相容性、SWIR造影劑和在HMSN中穩(wěn)定NIR熒光團(tuán)的這一概念。IR-140J聚集體的紅移吸收和發(fā)射以及小的斯托克斯位移允許在980 nm激發(fā)和1000−1700 nm采集的情況下成像，從而提供高分辨率的活體圖像。

 

參考文獻(xiàn)

Chen W, Cheng CA, Cosco ED, Ramakrishnan S, Lingg JGP, Bruns OT, Zink JI, Sletten EM. Shortwave Infrared Imaging with J-Aggregates Stabilized in Hollow Mesoporous Silica Nanoparticles. J Am Chem Soc. 2019 Aug 14;141(32):12475-12480. doi: 10.1021/jacs.9b05195. Epub 2019 Aug 2. PMID: 31353894; PMCID: PMC6746239.

 

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