JACS：中空介孔二氧化硅纳米颗粒中的J-聚集体用于短波红外成像

来源：CBG资讯

低能量的光具有超高的分辨率和对比度，因此利用短波红外（SWIR，1000-2000 nm）光进行小动物活体荧光成像显得比较常见（Figure 1A）。而SWIR成像的效果主要取决于造影剂，开发明亮的、具有强生物相容性的SWIR造影剂是目前最大的挑战。

J-聚集是荧光团的错位平行堆积，可导致激发态跃迁偶极子的结构耦合（Figure 1B），主要表现为红移的吸收和发射光谱、较窄的吸收和发射带、较小的斯托克斯位移、增强的吸光系数（ε）和缩短的荧光寿命，而荧光寿命的缩短也恰恰导致了量子产率（ΦF）和循环速率的增加。这些特点均表明J-聚集体有着优异的光学性质，但由于其在复杂环境中难以稳定存在，J-聚集体极少被用于体内成像。

近日，美国加利福尼亚大学的Ellen M. Sletten、Jeffrey  I.    Zink和德国亥姆霍兹慕尼黑中心的Oliver T. Bruns等人报道了一种采用稳定且具有生物相容性的中空介孔二氧化硅纳米粒子（HMSNs）保护具有SWIR发射的J-聚集体的方法，并将其用于体内成像（Figure 1C/D）。相关成果以“Shortwave infrared imaging with J-aggregates stabilized in hollow mesoporous silica nanoparticles”为题发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.9b05195）。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

 首先，作者在Stöber球核上合成介孔二氧化硅涂层，用碳酸钠溶蚀后合成HMSNs，在不同溶剂中用不同浓度的荧光团IR-140处理HMSNs（Figure 2A）。通过UV/Vis/NIR光谱分析，作者发现溶解于DMSO中的IR-140与HMSNs结合并洗涤后，IR-140单体的峰（826 nm）消失，形成SWIR-J聚集体。用PBS洗涤产生大量的J2-聚集体（1040 nm，darkblue，Figure 2B）；用没有孔或内表面的Stöber球重复实验仅观察到小的J-带（gray line， Figure 2B）。随后，通过透射电子显微镜（TEM）进一步表征，作者发现HMSNs是一个具有明显的空腔和孔的颗粒，直径约为85 nm（Figure 2C），但在IR-140处理后，空隙变暗（Figure 2D），证明了IR-140和HMSNs的完美结合。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

在证实J-聚集体的形成后，作者用聚乙二醇（PEG）修饰HMSNs表面，使其可以悬浮在水相介质中，并探究了含有IR-140的聚乙二醇化HMSNs（HMSNs-PEG）单体/J-聚集体的光物理性质（Figure 3A），发现用PEG修饰前后的化合物具有相似的光谱性质（λmax,abs=1038 nm，λmax,em=1047 nm）。当用980 nm激光分别激发IR-140的DMSO溶液、IR-140的35% DMSO/0.9% NaCl水溶液和含IR-140的HMSNs-PEG的PBS溶液时，后两者形成的J-聚集体产生类似的发射光，而单体没有被激发（Figure 3B）。因此，J-聚集体对于低能量激发的SWIR成像是必不可少的。

随后，作者分析了HMSNs在稳定IR-140 J-聚集体中的作用。在室温下放置两周，负载IR-140的HMSNs-PEG的PBS溶液的吸光度仅下降约10%，说明纳米颗粒内IR-140的堆积方式并没有明显的变化（blue，Figure 3C）。相比之下，溶液相中的J-聚集体放置1天后仅残留8%（red，Figure 3C）。作者进一步用980 nm激光（97 mW/cm2）照射J-聚集体，785 nm激光（97 mW/cm2）照射单体，检测荧光强度并比较光稳定性。结果表明，HMSNs-PEG中的J-聚集体具有最高的稳定性（Figure 3D），证实了HMSNs对于稳定J-聚集体具有重要的作用。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者评估了纳米颗粒的生物相容性和体内成像效果。作者将负载IR-140的HMSNs-PEG通过静脉注射到裸鼠中进行体内成像实验，用980 nm激光照射并收集1000-1700 nm的荧光，在小鼠的肺、肝和脾中发现强烈的荧光信号（Figure 4）。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

总而言之，作者基于HMSNs负载IR-140的J-聚集体在小鼠体内的成像结果，证实了J-聚集体可以作为SWIR造影剂，这使HMSNs与成像剂/靶向剂/治疗剂的结合变为可能，为制备良好的SWIR治疗诊断剂奠定基础。