近紅外二區(qū)活體高對比度生物成像NIR-IIb發(fā)光半導(dǎo)體小分子分子編程

本文要點：比起在NIR-II(1000-1300nm)和NIR-IIa生物窗口(1300-1400nm)中，在NIR-IIb窗口(1500-1700nm)中具有亮度充足的發(fā)光體，可以獲得更好的圖像對比度和更深的組織穿透力。半導(dǎo)體小分子是由π電子離域骨架通過給電子和吸電子單元的共軛配位而構(gòu)建的，利用可調(diào)的分子結(jié)構(gòu)，可以容易地覆蓋整個可見光和近紅外區(qū)域。然而，由于缺乏將發(fā)射波長增加到1500nm以上的策略，具有NIR-IIb發(fā)射的半導(dǎo)體分子很少實現(xiàn)。作者通過硒(Se)取代或氟(F)加成設(shè)計具有A-Π-D-Π-A結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體低聚物（SOMs），實現(xiàn)了超過1500 nm的體內(nèi)高分辨率微結(jié)構(gòu)成像。文章中用IDSe-IC2F NPs在后肢血管、膽道和膀胱中明亮的NIR-IIb發(fā)射，成功地顯示發(fā)射波長超過1500nm活體小鼠的精確微結(jié)構(gòu)。

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圖1.NIR-II分子的合成和分子結(jié)構(gòu)

 

如圖1所示，化合物1通過Stille偶聯(lián)反應(yīng)合成中間體IDX-OT（X=S or Se）,中間體IDS-OT和IDSe-OT通過與丙二腈衍生物反應(yīng)得到IDS-IC和IDSe-IC，IDSe-OT還可以與被F取代丙二腈衍生物進(jìn)行反應(yīng)得到IDSe-IC2F，由圖1c可知，這三個SOMs都是A-Π-D-Π-A結(jié)構(gòu)。

圖2.NIR-II半導(dǎo)體低聚物的理論模擬和實驗光學(xué)性質(zhì)。

（a）優(yōu)化的分子幾何構(gòu)型；（b）S0態(tài)的HOMOs和LUMOs的分布和能級；（c）分子在THF中的吸收光譜和發(fā)射光譜。

 

如圖2c所示，在808nm的激發(fā)波長下，三種SOMs在900-1350nm都具有明亮的熒光，其中IDSe-IC2F 的吸收和發(fā)射波長都表現(xiàn)出紅移，這可能是由于Se取代和F加成反應(yīng)導(dǎo)致HOMO和LUMO之間的能隙減小造成的，并且IDSe-IC2F 的發(fā)射波長拖尾甚至超過1350nm。這三種SOMs都具有良好的量子產(chǎn)率分別為20.5%、19.8%、15.1%。所以在三種SOMs中，IDSe-IC2F具有最好的NIR-II響應(yīng)，后面用IDSe-IC2F進(jìn)行一系列實驗驗證。
 

圖3.納米粒子（NPs）的表征和近紅外二區(qū)的體內(nèi)成像

（a）SOMs NPs制備示意圖；（b）IDSe-IC2F NPs的透射電子顯微鏡成像（TEM）和動態(tài)光散射（DLS）數(shù)據(jù)；（c）IDSe-IC2F NPs水分散體的吸收光譜和發(fā)射光譜；（d）三種SOM NPs在793 nm激光照射下的NIR-IIb的發(fā)射光譜。插圖：對應(yīng)的NIR-IIb熒光圖像；（e）在793 nm激光(~30mW·cm-2)照射2h下，與不同介質(zhì)孵育的IDSe-IC2F NPs的光穩(wěn)定性；（f）使用不同的長通濾光片對IDSe-IC2F NPs標(biāo)記的血管進(jìn)行全身成像，并進(jìn)行相應(yīng)的信號背景比（SBR）分析

 

利用兩親性聚合物DSPE-PEG2000與SOMs共組裝，制備水分散納米顆粒SOM NPs(圖3a)。如圖3b所示，IDSe-IC2FNPs的外貌呈現(xiàn)出均勻球形，流體動力學(xué)直徑約為68 nm。比起自由分子，IDSe-IC2F NPs的吸收和發(fā)射光譜呈現(xiàn)出明顯的紅移（圖3c），尤其是其具有超過1800nm的發(fā)射尾巴（圖3b）。細(xì)胞毒性實驗也顯示出其具有良好的生物相容性。如圖3e所示，在水、PBS、FBS中熒光強(qiáng)度變化不明顯，結(jié)果表明其具有良好的光穩(wěn)定性。

 

為了證明IDSe-IC2F NPs的優(yōu)點，將其在PBS中的分散體靜脈注射到小鼠尾靜脈，并使用具有不同長波通濾光片(1000、1300和1500nm)的InGaAs探測器進(jìn)行全身熒光血管成像(圖3f)。比起1000nm濾光片拍攝的圖片，1300和1500nm濾光片拍攝的照片具有更好的對比度，背景顯著減少。而且在NIR-IIb窗口的成像對比度分別比NIR-II和NIR-IIa窗口高22.3倍和16.7倍，顯示出IDSe-IC2F NPs在NIR-IIb窗口成像的優(yōu)越性。另外體外成像表明，IDSe-IC2F NPs可能由肝和脾排泄。

圖4.小鼠NIR-II功能微結(jié)構(gòu)成像研究

后肢成像在（a）傳統(tǒng)NIR-II；（b）NIR-IIa；（c）NIR-IIb；（d-f）a-c中紅線的橫截面熒光強(qiáng)度分布顯示了相應(yīng)的SBR分析；

膽道成像在（g）傳統(tǒng)NIR-II；（h）NIR-IIa；（i）NIR-IIb；（j-l）a-c中紅線的橫截面熒光強(qiáng)度分布顯示了相應(yīng)的SBR和半峰全寬（FWHM分析）；膀胱無創(chuàng)近紅外-IIb熒光成像在開腹（m）之前；（n）之后；（o）m和n的合并圖像

 

生物組織的微觀結(jié)構(gòu)對于生物醫(yī)學(xué)研究是至關(guān)重要的。如圖4a-c所示,在793nm的激光下，靜脈注射IDSe-IC2F NPs，顯示出小鼠后肢血管成像。在NIR-IIb和NIR-IIa窗口中顯示出四個細(xì)小的毛細(xì)管，但是NIR-IIb成像的SBR更高，而在傳統(tǒng)NIR-II窗口中由于一條血管被埋在背景中，只顯示出三條細(xì)小的毛細(xì)管（圖4d-f）。結(jié)果表明NIR-IIb成像在背景衰減方面是無與倫比。

 

精確術(shù)中膽道成像可以有效地減少膽管損傷及相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生率，提出一種無電離輻射、高分辨率的準(zhǔn)確的熒光膽道成像是至關(guān)重要的。在膽總管內(nèi)注射IDSe-IC2F NPs進(jìn)行NIR-IIb熒光膽道造影，如圖4g-i所示，可以清晰顯示出膽囊管、肝總管、膽囊、膽總管。定量分析膽總管的直徑（圖4j-l），證明了與傳統(tǒng)NIR-II和NIR-IIa相比，NIR-IIb熒光成像的空間分辨率最高。

 

逆行注射IDSe-IC2F NPs后，對小鼠膀胱進(jìn)行了近紅外-IIb無創(chuàng)深穿透熒光成像。兩幅NIR-IIb圖像中標(biāo)記的膀胱的大小和形狀在開腹前后都匹配得很好（圖4m-o），展現(xiàn)了IDSe-IC2F NPs良好的生物成像功能。

 

總結(jié)：作者采用了Se取代和F加成的策略，開發(fā)了一個新的具有NIR-IIb發(fā)射的SOMs庫，實現(xiàn)了超過1500 nm的體內(nèi)高分辨率微結(jié)構(gòu)成像。利用IDSe-IC2F NPs明亮的NIR-IIb發(fā)射，成功地顯示了發(fā)射波長超過1500 nm的活體小鼠的精確微結(jié)構(gòu)（包括后肢血管、膽道和膀胱），并且具有高空間分辨率和SBR。這項工作開發(fā)了一個優(yōu)秀的NIR-II半導(dǎo)體熒光團(tuán)庫，并為開發(fā)用于NIR-IIb成像的新材料提供了有用的見解。

 

參考文獻(xiàn)

Yuan, Y.et al. Molecular Programming of NIR-IIb-Emissive Semiconducting SmallMolecules for In Vivo High-Contrast Bioimaging Beyond 1500 nm. Adv Mater, e2201263,doi:10.1002/adma.202201263 (2022).

 

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