基于通用策略构建激活型NIR II荧光探针用于高对比度活体生物成像

来源：X一MOL资讯

近日，湖南大学张晓兵教授团队通过理性设计和理论计算相结合，提出近红外二区荧光染料设计新思路，开发了一系列具有良好光学性能的近红外二区荧光染料，并构建了用于高对比度活体生物成像的可激活近红外二区荧光探针。该工作是在张晓兵教授带领下，团队成员袁林教授协助指导任天兵博士（第一作者）等人完成的，这一研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

与可见光（400-700 nm）和第一近红外（NIR-I，700-900 nm）荧光成像相比，第二近红外（NIR-II，900-1700 nm）窗口的荧光成像因其更长的激发和发射波长，表现出独特的成像优势，如弱的背景自发荧光和光子散射，这使得实现厘米深度组织成像成为可能，因此在过去十年中受到越来越多的关注。与无机纳米荧光团相比，有机小分子NIR-II荧光团因其较小的生物毒性和易于代谢等特点，表现出极大的临床应用前景。然而，目前大多数有机小分子NIR-II荧光染料，特别是基于花菁骨架的NIR-II荧光染料（见图1A），存在生物稳定性不理想、斯托克斯位移小（小于40 nm）和溶剂化猝灭等问题，限制了其在生物成像中的应用。此外，由于缺乏适当的调控位点，目前，基于已报道的NIR-II有机小分子染料设计可激活的荧光探针仍然是一项具有挑战性的工作。

该团队通过理性设计和理论计算相结合，提出近红外二区荧光染料构建新思路——增大空间位阻和电子不对称性，开发了一系列量子产率高、稳定性好、抗溶剂化吸收猝灭、光学性能可控的近红外二区荧光染料NIRII-RTs（图1B）。同时基于功能化羧酸基团的螺环化，作者证明NIRII-RT3/4染料可作为可激活荧光探针设计的有效平台，成功地解决了目前可激活NIR-II荧光探针设计的难题。

图1. A）文献报道的NIR-II花菁的结构；B）新型NIRII染料RT1-4的设计思路

光谱数据显示，与商业化NIR-II成像染料IR1061相比，NIRII-RT系列染料不仅表现出优良的抗溶剂化吸收猝灭，同时也表现出更好的光/化学稳定性以及更高的成像亮度（图2）。随后的活体成像实验也表明，相比于商业化染料，NIRII-RT染料展现出更加优良的成像信背比和准确性，适合近红外二区活体成像应用研究（图3）。

图2. 新型NIR-II荧光染料NIRII-RT1-4及商业化染料IR1061 & ICG的光物理性质研究；A）NIRII-RT染料在二氯甲烷（DCM）中的归一化发射光谱（激发：808 nm）；B）-F）NIRII-RT染料和IR1061（5 μM）在各种溶剂的吸收光谱；G）在InGaAs摄像头下的PBS缓冲液中ICG、IR1061和NIRII-RT1-4染料的NIR-II（1000-1700 nm）成像亮度对比；H）NIRII-RT染料和ICG / IR 1061（5 μM）在PBS（pH 7.4，含20％DMSO和1％tween-80）中加入各种活性物质的相对吸收：ONOO-, 5 μM; HClO, 50 μM; H2O2，100 μM; H2S, 100 μM; GSH, 1 mM；Cys, 100 μM；I）不同时间下染料溶液在PBS缓冲液中的归一化吸收，并用相应的激光在200 mW / cm2的功率密度下进行照射。

图3. A）NIRII-RT1（10 μM，915 nm激发）、IR1061（10 μM，915 nm激发）和ICG（10 μM，808 nm激发）的PBS溶液在毛细管中的荧光图像（模拟不同的组织深度）。荧光收集通道：1000-1700 nm；B）和C）测得的图3A中毛细管图像横截面轮廓的信背比（SBR）和相应的波长半峰宽（FWHM）；D）在NIR-II窗口（1000-1700 nm）下，尾静脉注射ICG、NIRII-RT3和NIRII-RT4的昆明小鼠荧光成像，其中实验组注射有苯肼诱导小鼠发生炎症；E）和F）从ICG、NIRII-RT3和NIRII-RT4的图像中量化小鼠肝脏（或肾脏）的相对平均荧光强度。

在上述实验结果的基础上，作者进一步验证了NIRII-RT系列染料是否有具有通用化探针设计平台的潜力。以染料NIRII-RT4为例，利用螺环“开-关”调控荧光性能的特性，作者设计合成了一系列新型可激活NIR-II荧光探针（NIRII-RT-pH、NIRII-RT-ATP & NIRII-RT-Hg），并成功应用于相应分析物如pH、ATP和Hg2+的检测。最后，利用在生理条件下具有高稳定性和优良选择性的ATP近红外二区探针NIRII-RT-ATP，作者成功实现了对药物诱导的肝毒性的实时成像监测（图4）。

图4. A）新型可激活NIR-II荧光探针的设计；B) NIRII-RT-ATP探针成像检测APAP（300mg/kg，6小时和12小时）诱导的小鼠肝毒性；C）不同时间点用盐水或APAP（300mg/kg）处理的小鼠肝脏的NIRII-RT-ATP探针实时成像图；D）从图4B获得的信背比（SBR）（ROI2 / ROI1或ROI3 / ROI1）；E）从图4C获得的SBR（ROI2 / ROI1和ROI4 / ROI3）。