硅-羅吲哚嗪熒光團：短波紅外吸收和發(fā)射曲線實現(xiàn)體內(nèi)熒光成像
本文要點：短波紅外（SWIR，1,000-1,700 nm）和擴展SWIR（ESWIR，1,700-2,700 nm）區(qū)域的體內(nèi)熒光成像在診斷成像方面具有巨大的潛力。本文合成了一系列硅-羅吲哚嗪（SiRos）熒光團，其峰值發(fā)射波長為1,300-1,700 nm，發(fā)射起點為1,800-2,200 nm。使用兩種熒光團（SiRos1300和SiRos1550）配制了納米乳劑，并將它們用于小鼠心血管系統(tǒng)的一般體循環(huán)SWIR熒光成像。這些研究產(chǎn)生了高分辨率的SWIR圖像，在整個循環(huán)系統(tǒng)中可以看到清晰的脈管系統(tǒng)。該SiRos支架確立了生成長波長發(fā)射SWIR和ESWIR熒光團的設(shè)計原則。
本文研究了硅取代的氧雜蒽芯與DMA裝飾的吲哚嗪供體的組合，以利用更長的波長進行吸收和發(fā)射。通過這種方法，我們產(chǎn)生了長波長發(fā)射的小分子有機熒光團，其波長超出了當前平均波長>300 nm，發(fā)射起點（定義為5%的最大發(fā)射強度值）延伸到ESWIR區(qū)域（圖1）。
圖1. 氧雜蒽和硅取代的氧雜蒽基熒光團的最大發(fā)射量
圖2. SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700的摩爾吸收率和歸一化發(fā)射
吸收光譜顯示，在 CH2Cl2中，SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700在1,140 nm、1,348 nm和1,440 nm處具有顯著的低能量最大值（圖1，2）。
在CH2Cl2中測量SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700的發(fā)射光譜和熒光量子產(chǎn)率（ΦF）（圖2）。對于SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700，染料的峰值發(fā)射值（λemismax）為1300 nm，1557 nm和~1700 nm。所有染料都在ESWIR區(qū)域內(nèi)具有發(fā)射起始點（λemis起始點），對于SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700分別為：1800 nm，2000 nm和2200 nm。
圖3. SiRos納米乳液的制備和通過靜脈注射在體內(nèi)的可視化
研究了基于菜籽油的納米乳劑，以延長體內(nèi)成像時間。納米乳液是通過在磷酸鹽緩沖鹽水中使用 Pluronic F-68 表面活性劑乳化菜籽油制成的（圖3a)。隨后，通過搖晃混合物至少1小時，將納米乳液加載溶解在丙酮中的SiRos1300或SiRos1550。在體內(nèi)使用之前，SiRos1300納米乳液的平均粒徑為260 nm，多分散指數(shù)為0.44，而SiRos1550納米乳液的平均粒徑為194 nm，多分散指數(shù)為0.27。SiRos1300和SiRos1550負載納米乳液的吸收光譜顯示出與染料在有機溶劑中的吸收非常相似的特征，表明納米乳液中熒光團的單分子行為（圖3b，頂部）。在相同的成像條件下，觀察到SiRos1300納米乳液的亮度大約是SiRos1550納米乳液的兩倍（圖3b，底部）。
SiRos1300 和 SiRos1550 納米乳劑均表現(xiàn)出出色的空間分辨率，這是 SWIR 熒光成像的特征（圖3c，d）。觀察到兩種納米乳劑在尾靜脈注射后不久分布在整個循環(huán)系統(tǒng)中，在包括腹部、頸靜脈和股動脈在內(nèi)的區(qū)域具有明確的小鼠脈管系統(tǒng)分辨率。橫截面強度如圖所示。SiRos1300 和 SiRos1550 分別為 3c，d。觀察到 SiRos1300 沿頸動脈（~120 a.u. 對 ~100 a.u.）和股動脈（~120 a.u. 對 ~70 a.u.）橫截面產(chǎn)生比 SiRos1550 更大的峰值信號強度，而兩種熒光團沿腹部橫截面 （~80 au） 產(chǎn)生相當?shù)姆逯敌盘枏姸�。此外，注射兩種納米乳劑的小鼠在注射兩周后顯示出可檢測的信號。
SiRos1300、SiRos1550 和 SiRos1700 具有低能量發(fā)射特性，可充分利用 SWIR 區(qū)域的優(yōu)勢，包括：（1） 在 1,400–1,600 nm 的高對比度區(qū)域成像;（2）更深的成像;（3）擴展多路復(fù)用能力。我們通過使用 SiRos1300 和 SiRos1550 的毛細管成像實驗證明了這些途徑的潛力。SiRos1300 和 SiRos1550 在使用 1,400 nm 和 1,500 nm 長波通濾光片成像時均顯示穩(wěn)定的信號。為了評估使用低能量波長對深度穿透的影響，我們均衡了 SiRos1300 和 SiRos1550 以及其他三種具有更高能量 λ 的熒光團的亮度EMIS系統(tǒng)麥克斯：JuloChrom5（872 nm）、Chrom7 （996 nm）、JuloFlav7 （1,088 nm）。本文在不同深度的 1% Intralipid 對這五個毛細血管進行了成像，具有較長波長發(fā)光染料的毛細管可以在更深的深度進行分離。使用 1,400 nm 長波通濾光片，只有 SiRos1550 可以在 4 mm 深度下分辨，SiRos1300、JuloFlav7、Chrom7 和JuloChrom5 分別在 3.5 mm、3 mm、2.5 mm 和 2 mm 處分辨。使用1,500 nm 長波通濾光片也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，只有 SiRos1300 和 SiRos1550 可在 4 mm 深度下解析。這與之前工作的脂質(zhì)內(nèi)實驗一致，該實驗證明了使用更長波長的發(fā)射器具有出色的深度穿透力和分辨率。最后，SWIR區(qū)域的一個重要優(yōu)勢是擴大了適用于通過組織成像的光譜窗口，便于進行多色實驗。SiRos染料擴展到生物相容性熒光團以前未到達的區(qū)域。SiRos1300 能夠與 JuloChrom5 和 Chrom7 一起進行多路復(fù)用。由于激發(fā)激光器的限制，我們無法增加用于多路復(fù)用的通道數(shù)量，但隨著技術(shù)的進步，這應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)。SiRos 染料證明了技術(shù)與探針開發(fā)之間相互作用的重要性，這些染料超越了當前 SWIR 成像裝置的優(yōu)化激發(fā)和發(fā)射范圍。
結(jié)論：
本研究設(shè)計和合成了一系列SiRos熒光團，并表征了它們的光物理性質(zhì)。SiRos1300、SiRos1550 和 SiRos1700 具有λemismax 1,300 nm、1,557 nm 和1,700 nm，熒光量子產(chǎn)率分別為 0.0056%、0.0025%和 0.0011%（均以 CH2Cl2)。該系列觀察到皮秒范圍內(nèi)的光致發(fā)光壽命，以及壽命和發(fā)射能量的反向趨勢，其中 SiRos1700 > SiRos1550 > SiRos1300。觀察到的光致發(fā)光壽命趨勢歸因于隨著熒光團的光隙減小，單重態(tài)和三重態(tài)激發(fā)態(tài)的潛在混合。熒光團的瞬態(tài)密度泛函理論分析與在染料系列中觀察到的趨勢相匹配，其中 SiRos1700 > SiRos1550 > SiRos1300 的吸收波長和垂直躍遷。前沿分子軌道表明部分電荷轉(zhuǎn)移行為，當從非極性非質(zhì)子（CH2Cl2）到極性非質(zhì)子溶劑（CH3CN）。使用SiRos1300和SiRos1550在菜籽油基納米乳液中進行體內(nèi)SWIR成像實驗。這些制劑在股動脈、腹腔和頸靜脈中顯示出小鼠脈管系統(tǒng)的完整循環(huán)分布和高分辨率成像。總的來說，這項工作說明了未來長波長發(fā)射SWIR熒光團的設(shè)計原則。未來的工作重點是在ESWIR區(qū)域設(shè)計水溶性熒光團和更高量子產(chǎn)率的熒光團。此外，基于這些設(shè)計原理，正在追求在中波紅外（3,000-5,000 nm）區(qū)域發(fā)射的熒光團。
參考文獻
Meador W E, Lin E Y, Lim I, et al. Silicon-RosIndolizine fluorophores with shortwave infrared absorption and emission profiles enable in vivo fluorescence imaging[J]. Nature Chemistry, 2024: 1-9.
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