本文要点：本研究设计并合成了一种新型NIR-II有机小分子CTB1125。得益于高供体-受体-供体（D-A-D）结构促进的高效分子内电荷转移（ICT），CTB1125的最大发射波长为1125 nm。此外，通过在共轭稠环骨架上修饰支链烷基链，减少了分子间堆积。CTB1125被封装于两亲性共聚物PS2000-PEG2000中形成CTB1125-NPs，其在水溶液中表现出高达4.84%的荧光量子产率、优异的光稳定性及高信噪比。凭借这些卓越性能，CTB1125-NPs已成功用于清晰且持久的NIR-II血管成像（使用少量CTB1125-NPs、低激光功率和短曝光时间），并通过荧光成像精确引导小鼠肿瘤的手术切除。这项工作为深部组织成像和图像引导手术提供了一种具有超高亮度的NIR-II荧光团。

方案1. NIR-II纳米荧光团用于血管成像及荧光图像引导肿瘤切除手术的示意图

本文设计并合成了一种新型D-A-D型NIR-II有机小分子荧光团CTB1125（方案1）。选择具有大自共轭的富电子杂环环戊二烯并[2,1-b:3,4-b']二噻吩（CPDT）作为供体单元。受体部分为具有稳定醌式结构的苯并[1,2-c:4,5-c']双([1,2,5]噻二唑)（BBTD）。该结构的最大发射波长达到1125 nm，其在有机溶剂中的荧光量子产率高达10.2%。这是目前已报道的发射波长超过1100 nm的荧光团中量子产率最高者。此外，通过CTB1125与PS2000-PEG2000自组装构建了CTB1125-NPs纳米颗粒。凭借平衡的发射波长和4.84%的水溶液量子产率，CTB1125-NPs可用于低剂量（200 μL，50 μM）、低激光功率（0.3 W cm⁻²）和短曝光时间（50 ms）的NIR-II成像。成功实现了小鼠血管的高分辨率NIR-II荧光成像及图像引导的肿瘤手术切除。

图1. CTB1125的合成路线和表征

如图1b所示，CTB1125在600-1000 nm范围内具有宽吸收峰（峰值约895 nm）。在895 nm激光激发下，其在己烷中的发射光谱覆盖900-1400 nm，最大发射波长为1125 nm。如图1c所示，最高占据分子轨道（HOMO）主要分布于整个共轭骨架上，显示出优异的分子共轭效应。而最低未占分子轨道（LUMO）几乎不包含供体贡献，主要集中于受体和π桥单元。根据计算结果，能隙为1.14 eV。CTB1125的大共轭结构有助于形成窄带隙，从而在近红外区域产生强吸收。

如图1d-f所示，以ICG（量子产率QY：DMSO中14%）为参比，CTB1125在己烷中的量子产率达10.2%；以IR-1061（QY：DCM中1.7%）为参比时，QY为8.15%。CTB1125优异的发射波长和超高量子产率表明其在NIR-II成像中具有广阔应用前景。为研究不同极性溶剂中的光学性质，测定了CTB1125在不同溶剂中的吸收和荧光光谱。

图2. CTB1125-NPs制备流程和荧光成像

为实现生物医学应用，选择两亲性PS2000-PEG2000聚合物通过纳米共沉淀法负载CTB1125，构建具有高亮度和良好生物相容性的水分散CTB1125-NPs纳米探针（图2a）。CTB1125-NPs的吸收光谱（600-1000 nm）和发射光谱（900-1400 nm）与CTB1125相似（图2b）。水合粒径表征和透射电镜（TEM）图像显示，CTB1125-NPs呈均匀球形，平均尺寸约22 nm（图2c）。如图2d,e所示，以PS2000-PEG2000制备的CTB1125-NPs亮度显著高于其他两亲性基质制备的纳米颗粒。所得CTB1125-NPs的量子产率约为4.84%（以ICG为参比；若以IR1061为参比则为3.87%），较CTB1125直接分散于水中的样品荧光增强约23倍。该量子产率远高于当前研究中发射波长超过1100 nm的NIR-II染料。此外，CTB1125-NPs在水中的808 nm消光系数达3.44×10⁴ M⁻¹cm⁻¹，确保了NIR-II成像期间的信号亮度。因此，CTB1125-NPs的高亮度使其能够在低剂量下实现高灵敏度成像。

进一步研究了CTB1125-NPs的光稳定性并与ICG对比。在808 nm激光照射30分钟后，DMSO中的ICG迅速光漂白，几乎无荧光；而CTB1125-NPs的吸收和荧光光谱变化可忽略，溶液仍保持高亮度（图2f-i）。CTB1125-NPs的生物相容性通过MTT实验评估。当用1-100 μM浓度的CTB1125-NPs处理HUVEC、HepG2和H22细胞时，细胞存活率均高于88%（图2j）。以上结果证明CTB1125-NPs具有长发射波长、超高量子产率、优异稳定性和生物相容性，适用于NIR-II成像。

图3. CTB1125-NPs与ICG体外穿透深度评估实验

如图3a所示，使用鸡胸肉模拟组织，根据信号背景比（SBR）和半峰全宽（FWHM）评估CTB1125 NPs的穿透能力。在相同浓度（20µM）条件下，将H2O中的CTB1125 NPs和DMSO中的ICG都灌注到毛细管中。如图3b所示，没有覆盖鸡组织时，由于ICG在DMSO中的QY高于CTB1125 NPs在水中的QY，ICG显示出比CTB1125 NPs更亮的荧光和更清晰的成像边界。然而，当覆盖1毫米的鸡组织时，ICG显示出荧光亮度的急剧衰减，这是由于ICG在1000纳米以上的较长波长处发射较弱造成的。相比之下，即使覆盖7mm的鸡组织，CTB1125 NPs仍然可以观察到明显的NIR-II发射。CTB1125 NPs和ICG横截面的荧光强度和相应的Guass拟合曲线也在图3c中进行了定量。当组织厚度小于3mm时，CTB1125 NPs的FWHM没有显著增加。由于其长发射波长，在7mm的组织厚度内保持大于2的SBR。相比之下，ICG的FWHM随着组织厚度的增加而显著增加，SBR急剧下降（图3d，e）。所有这些结果表明，CTB1125 NPs在低浓度下实现了更高的组织穿透深度和成像SBR，从而实现了理想的体内NIR-II荧光探针。

如图4a所示，半小时内，CTB1125 NPs通过血液集中在小鼠的肺部，并在肝脏中部分富集。然后，大量的CTB1125 NPs被肠道吸收，在≈4小时内到达结肠，随后被排泄系统代谢。6小时后，剩余的CTB1125 NPs在肝脏中逐渐富集，并在8小时达到峰值。随后，CTB1125 NPs逐渐被肝脏清除和代谢。特别是，在12小时内可以清楚地观察到小鼠的血管。

为了进一步研究其药代动力学，在不同时间收集注射CTB1125 NPs的BALB/c小鼠的血液，并对血液进行NIR-II成像。如图4b、c所示，血液中CTB1125 NP的荧光强度随时间而降低。静脉注射后12小时，血液中CTB1125 NP的强度仍保持在初始值的一半，这表明CTB1125 NPs的血液循环时间较长。因此，它适用于长期血管成像，而无需额外补充成像剂，从而减轻代谢负担。在NIR-II成像系统下获得的体外器官图像显示，CTB1125 NPs主要积聚在肝脏中（图4d，e）。最后，评估了CTB1125 NPs在小鼠体内的生物安全性。由于血液循环时间长、低毒性和高亮度的优点，用少量CTB1125 NPs、低激光功率和短曝光时间实现清晰、长时间的NIR-II血管成像是有前景的。

图5. CTB1125-NPs静脉注射后，BALB/c裸鼠右后肢（a,e）、左后肢（b）、腹部（c,f）及脑部（d,g）的NIR-II图像

为了评估CTB1125 NPs在体内成像的空间分辨率能力，用DMSO中的ICG溶液作为对照对BALB/c裸鼠的腹部和后肢进行成像。使用1150 nm带通滤光片的NIR-II成像显示，在1.49到2.52之间的SBR比使用1000 nm长通滤光片的SBR高得多（图5a-d）。与此同时，BP 1150滤光片只允许1125-1175 nm范围内的光通过。因此，来自背景的短波长荧光信号被大大过滤。即使在较长的曝光时间下，CTB1125 NPs的荧光信号也可以很好地与背景信号区分开。此外，半峰全宽（FWHM）也用于评估不同滤光片下CTB1125 NPs的成像分辨率（图5e-g）。当量化同一位置的成像荧光强度时，信号的高斯拟合曲线表明，使用1150nm带通滤波器可以获得更窄的FWHM。值得注意的是，由于颅骨皮肤组织较厚，使用BP 1150滤波器对脑血管进行成像时，FWHM可以从639.6µm显著降低到354.8µm，从而显著提高了成像质量。所有结果表明，在0.3 W cm−2的低功率激光辐射和不超过150 ms的曝光时间下，仅注射200µL 50µM CTB1125 NPs即可获得高清晰度和分辨率的图像。

图6. CTB1125-NPs静脉注射后不同时间点荷瘤小鼠背部的NIR-II图像及48小时后NIR-II荧光引导的H22肿瘤切除术

为了评估CTB1125 NP的肿瘤成像能力，通过尾静脉向H22荷瘤小鼠注射CTB1125 NPs，然后在不同时间对肿瘤进行NIR-II成像。如图6a所示，由于增强的渗透性和保留性（EPR）效应，随着时间的推移，越来越多的CTB1125 NPs在肿瘤部位富集，导致肿瘤亮度增加，达到约48小时的峰值（图6b）。NIR-II荧光成像下肿瘤的轮廓通常与可见光下的形状一致（图6c）。在注射CTB1125 NPs后96小时，解剖携带H22肿瘤的小鼠，并对其器官和肿瘤进行成像。CTB1125 NPs的小尺寸使其更倾向于通过EPR效应在肿瘤中积聚。观察到肿瘤区域和肝脏显示出强烈的荧光（图6d，e），表明CTB1125 NPs可以在肿瘤部位很好地富集，并在静脉注射后被肝脏部分代谢。借助强NIR-II荧光信号，在成像的指导下手术切除肿瘤组织。如图6f所示，肿瘤和正常组织之间的边界是明显的。在量化肿瘤部位和正常组织的荧光信号后，手术切除前后肿瘤部位的T/N比分别为3.05±0.10和1.08±0.16。这表明在手术切除之前，肿瘤部位可以很好地与正常组织区分开来。因为肿瘤的边缘可以足够清晰地成像，所以手术可以足够精确地完全切除肿瘤。最终，术后组织具有与正常组织基本相同的荧光信号。如图6g所示，切除的具有强荧光信号的组织是肿瘤组织。肿瘤组织周围残留的上皮组织（图6h）、肌肉组织（图6i）和红细胞（图6j）较少。

总之，研究者设计并合成了一种新型D-A-D型NIR-II荧光探针CTB1125，其平衡了发射波长与量子产率。通过选择合适的供体和受体单元，将能隙大幅降低至1.14 eV，获得了从NIR-I至NIR-IIa的宽发射光谱（最大波长1125 nm）。通过修饰支链烷基减少分子间堆积，使其在有机溶剂中的量子产率高达10.2%。进一步通过PS-PEG封装形成CTB1125-NPs，有效抑制了水环境中TICT效应引起的荧光猝灭，最终获得量子产率4.84%的纳米荧光材料。与商用染料ICG相比，CTB1125-NPs具有更长发射波长、更优光稳定性及更高成像信噪比。凭借这些优势，实现了小鼠血管成像及NIR-II荧光引导的肿瘤手术切除。
 

参考文献

Zhang X, Li L, Ren Y, et al. Organic NIR‐II Nanofluorophore with Ultrahigh Quantum Yield for Vessels Imaging and Fluorescence Image‐Guided Surgery[J]. Advanced Functional Materials, 2025, 35(3): 2413341.

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