硅-罗吲哚嗪荧光团：短波红外吸收和发射曲线实现体内荧光成像
2024-06-18 来源:恒光智影 点击次数:803本文要点：短波红外（SWIR，1,000-1,700 nm）和扩展SWIR（ESWIR，1,700-2,700 nm）区域的体内荧光成像在诊断成像方面具有巨大的潜力。本文合成了一系列硅-罗吲哚嗪（SiRos）荧光团，其峰值发射波长为1,300-1,700 nm，发射起点为1,800-2,200 nm。使用两种荧光团（SiRos1300和SiRos1550）配制了纳米乳剂，并将它们用于小鼠心血管系统的一般体循环SWIR荧光成像。这些研究产生了高分辨率的SWIR图像，在整个循环系统中可以看到清晰的脉管系统。该SiRos支架确立了生成长波长发射SWIR和ESWIR荧光团的设计原则。
本文研究了硅取代的氧杂蒽芯与DMA装饰的吲哚嗪供体的组合，以利用更长的波长进行吸收和发射。通过这种方法，我们产生了长波长发射的小分子有机荧光团，其波长超出了当前平均波长>300 nm，发射起点（定义为5%的最大发射强度值）延伸到ESWIR区域（图1）。
图1. 氧杂蒽和硅取代的氧杂蒽基荧光团的最大发射量
图2. SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700的摩尔吸收率和归一化发射
吸收光谱显示，在 CH2Cl2中，SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700在1,140 nm、1,348 nm和1,440 nm处具有显著的低能量最大值（图1，2）。
在CH2Cl2中测量SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700的发射光谱和荧光量子产率（ΦF）（图2）。对于SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700，染料的峰值发射值（λemismax）为1300 nm，1557 nm和~1700 nm。所有染料都在ESWIR区域内具有发射起始点（λemis起始点），对于SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700分别为：1800 nm，2000 nm和2200 nm。
图3. SiRos纳米乳液的制备和通过静脉注射在体内的可视化
研究了基于菜籽油的纳米乳剂，以延长体内成像时间。纳米乳液是通过在磷酸盐缓冲盐水中使用 Pluronic F-68 表面活性剂乳化菜籽油制成的（图3a)。随后，通过摇晃混合物至少1小时，将纳米乳液加载溶解在丙酮中的SiRos1300或SiRos1550。在体内使用之前，SiRos1300纳米乳液的平均粒径为260 nm，多分散指数为0.44，而SiRos1550纳米乳液的平均粒径为194 nm，多分散指数为0.27。SiRos1300和SiRos1550负载纳米乳液的吸收光谱显示出与染料在有机溶剂中的吸收非常相似的特征，表明纳米乳液中荧光团的单分子行为（图3b，顶部）。在相同的成像条件下，观察到SiRos1300纳米乳液的亮度大约是SiRos1550纳米乳液的两倍（图3b，底部）。
SiRos1300 和 SiRos1550 纳米乳剂均表现出出色的空间分辨率，这是 SWIR 荧光成像的特征（图3c，d）。观察到两种纳米乳剂在尾静脉注射后不久分布在整个循环系统中，在包括腹部、颈静脉和股动脉在内的区域具有明确的小鼠脉管系统分辨率。横截面强度如图所示。SiRos1300 和 SiRos1550 分别为 3c，d。观察到 SiRos1300 沿颈动脉（~120 a.u. 对 ~100 a.u.）和股动脉（~120 a.u. 对 ~70 a.u.）横截面产生比 SiRos1550 更大的峰值信号强度，而两种荧光团沿腹部横截面 （~80 au） 产生相当的峰值信号强度。此外，注射两种纳米乳剂的小鼠在注射两周后显示出可检测的信号。
SiRos1300、SiRos1550 和 SiRos1700 具有低能量发射特性，可充分利用 SWIR 区域的优势，包括：（1） 在 1,400–1,600 nm 的高对比度区域成像;（2）更深的成像;（3）扩展多路复用能力。我们通过使用 SiRos1300 和 SiRos1550 的毛细管成像实验证明了这些途径的潜力。SiRos1300 和 SiRos1550 在使用 1,400 nm 和 1,500 nm 长波通滤光片成像时均显示稳定的信号。为了评估使用低能量波长对深度穿透的影响，我们均衡了 SiRos1300 和 SiRos1550 以及其他三种具有更高能量 λ 的荧光团的亮度EMIS系统麦克斯：JuloChrom5（872 nm）、Chrom7 （996 nm）、JuloFlav7 （1,088 nm）。本文在不同深度的 1% Intralipid 对这五个毛细血管进行了成像，具有较长波长发光染料的毛细管可以在更深的深度进行分离。使用 1,400 nm 长波通滤光片，只有 SiRos1550 可以在 4 mm 深度下分辨，SiRos1300、JuloFlav7、Chrom7 和JuloChrom5 分别在 3.5 mm、3 mm、2.5 mm 和 2 mm 处分辨。使用1,500 nm 长波通滤光片也发现了类似的结果，只有 SiRos1300 和 SiRos1550 可在 4 mm 深度下解析。这与之前工作的脂质内实验一致，该实验证明了使用更长波长的发射器具有出色的深度穿透力和分辨率。最后，SWIR区域的一个重要优势是扩大了适用于通过组织成像的光谱窗口，便于进行多色实验。SiRos染料扩展到生物相容性荧光团以前未到达的区域。SiRos1300 能够与 JuloChrom5 和 Chrom7 一起进行多路复用。由于激发激光器的限制，我们无法增加用于多路复用的通道数量，但随着技术的进步，这应该能够实现。SiRos 染料证明了技术与探针开发之间相互作用的重要性，这些染料超越了当前 SWIR 成像装置的优化激发和发射范围。
结论：
本研究设计和合成了一系列SiRos荧光团，并表征了它们的光物理性质。SiRos1300、SiRos1550 和 SiRos1700 具有λemismax 1,300 nm、1,557 nm 和1,700 nm，荧光量子产率分别为 0.0056%、0.0025%和 0.0011%（均以 CH2Cl2)。该系列观察到皮秒范围内的光致发光寿命，以及寿命和发射能量的反向趋势，其中 SiRos1700 > SiRos1550 > SiRos1300。观察到的光致发光寿命趋势归因于随着荧光团的光隙减小，单重态和三重态激发态的潜在混合。荧光团的瞬态密度泛函理论分析与在染料系列中观察到的趋势相匹配，其中 SiRos1700 > SiRos1550 > SiRos1300 的吸收波长和垂直跃迁。前沿分子轨道表明部分电荷转移行为，当从非极性非质子（CH2Cl2）到极性非质子溶剂（CH3CN）。使用SiRos1300和SiRos1550在菜籽油基纳米乳液中进行体内SWIR成像实验。这些制剂在股动脉、腹腔和颈静脉中显示出小鼠脉管系统的完整循环分布和高分辨率成像。总的来说，这项工作说明了未来长波长发射SWIR荧光团的设计原则。未来的工作重点是在ESWIR区域设计水溶性荧光团和更高量子产率的荧光团。此外，基于这些设计原理，正在追求在中波红外（3,000-5,000 nm）区域发射的荧光团。
参考文献
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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