近紅外二區紅外成像：J聚集體穩定在中空介孔二氧化硅納米粒子中

瀏覽次數：1555　發布日期：2021-9-24　來源：恒光智影

本文要點：組織對短波紅外線，即近紅外二區NIR-II 是半透明的，使光學成像在這一區域表現優異。然而，光學SWIR成像的廣泛使用一直受到限制，部分原因是缺乏吸收和發射1000納米以上光的明亮、生物兼容的造影劑。

J-聚集體提供了一種將穩定的近紅外(NIR)熒光團轉化為紅移SWIR造影劑的方法。本文作者證明了可以在空心介孔二氧化硅納米顆粒(HMSNs)內部制備NIR熒光團IR-140的聚集體，從而形成吸收和發射SWIR光的納米材料。聚乙二醇化的HMSN內的J-聚集體在緩沖液中穩定數周，并能在980 nm激發下進行高分辨率活體成像。

圖1.(A)用于光學成像的電磁頻譜區域 (B)J聚集和特征光物理性質；C)IR-140；(D)IR-140 J-聚集體在中空介孔二氧化硅納米顆粒(HMSN)中的穩定，以產生生物相容性的SWIR發射造影劑

J-聚集是發色團的滑動堆疊排列，導致激發態躍遷偶極子的建設性耦合(圖1B)。J-聚集的光物理后果是吸收和發射光譜發生紅移，吸收和發射波段窄，斯托克斯位移小，吸收系數(ε)增強，熒光壽命縮短，從而提高量子產率(ΦF)和循環速率。J聚集體的許多特性對于活體成像是有益的：紅移的吸收和發射光譜將使激發和圖像采集過程中的深度穿透，窄帶可以促進多路成像，而增加的ε將產生明亮的材料。J-聚集體通常比單體具有顯著的光物理優勢，但由于難以在復雜的環境中獲得和穩定必要的發色團排列，使用J-聚集體進行活體成像的報道很少。而納米結構可以隔離和保護有效載荷，使其成為一種在體內穩定J-聚集體很有前途的方法。

空心介孔二氧化硅納米顆粒(HMSN)有2−4 nm的孔，這些孔開放到一個10−200 nm大空腔，使得這些納米結構能夠承載大量的貨物。首先，為了在HMSN中實現SWIR-發射J-聚集體，作者使用了七甲基染料IR-140。IR-140是一種商品化的近紅外熒光團(λ(Max)，abs=826 nm，λ(Max)，em=875 nm)，已被用作光聚合引發劑、熒光有效載荷、等離子體陣列的組分、以及Raman和雙光子成像劑。16年報道，將IR-140引入谷胱甘肽包裹的量子點可以形成J-聚集體，觀察到兩個聚集體，作者設想，類似的IR-140 J聚集體可以在HMSN的帶負電荷的孔隙和內表面形成。此外，一旦聚集體在顆粒內部組裝，IR-140的疏水性質將使它們不太可能在水環境中解體，從而使J-聚集體在體內穩定。

圖2.(A)將IR-140加載到HMSN的示意圖；(B)洗滌條件有利于J-聚集；(C，D)經(D)IR-140處理和未經(C)IR-140處理的HMSN的TEM圖像

然后作者用不同量的IR-140在不同溶劑中處理HMSN（圖2A）。發現當溶解在DMSO中的IR-140與HMSN結合并洗滌時，可以獲得SWIR J-聚集體。事實證明，洗滌程序對于獲得所需的J2聚集體形成至關重要（圖2B），溫和的PBS洗滌可產生最大量的所需J2聚集體（深藍色，圖2B）。通過分析洗滌程序后收集的IR-140，計算出IR140的加載量為~103分子顆粒。通過透射電子顯微鏡（TEM）進一步表征HMSN，其顯示具有明顯空腔和孔的~85nm顆粒（圖2C）。通過氮吸附實驗將孔徑定量為3.2nm。雖然在空HMSN的TEM中孔清晰可見，但在用IR-140處理后它們變暗（圖2D），表明存在IR-140。

在確認HMSN可以促進IR-140的聚集之后，用聚（乙二醇）（PEG）修飾表面，使得它們可以懸浮在水性介質中。此過程導致HMSN在外部帶正電荷，但仍包含帶負電荷的內部以與陽離子IR140締合。將IR-140引入HMSN APTS的過程與HMSN相似，產生類似的IR-140負載和更高的J2：J1的比例。

圖3.(A)IR-140聚集體在HMSNS中的歸一化吸收和發射-PEG(藍色)，J-聚集體在溶液中(紅色)和單體(黃色)；(B)在980 nm激發下，IR-140單體(左)、溶液中的J-聚集體(中)和HMSNS-−中的J-聚集體(右)的發射；(C)在第0天(固體)和第1天或第14天(虛線)，IR-140 J-聚集體在35%DMSO/0.9%NaCl水中(紅色)和HMSNS-PEG在PBS(藍色)中的歸一化相對吸收;(D)IR-140 J-聚集體在HMSNS-PEG(藍色)和IR-140 J-聚集體在35%DMSO/0.9%NaCl水中(紅色)和IR-140 J-聚集體在DMSO中的光穩定性(紅色)和單體在DMSO(黃色)中的光穩定性

接下來，評估了含有IR-140的聚乙二醇化HMSN(HMSNS-PEG)的光物理性能，并與單體和J-聚集體的IR-140在溶液中進行了比較(圖3A)。單體IR-140得到了很好的表征；發現35%DMSO/0.9%NaCl在水中形成了所需的SWIR J-聚集體，其中最大abs 1042nm，最大em 1043nm。含有HMSNs-PEG的IR-140具有相似的光譜性質。當用980nm激光激發IR140在DMSO中的溶液，在35%DMSO/0.9%NaCl水溶液中的IR-140和在PBS中加載IR-140的HMSNs-PEG時，用于體內成像實驗的波長，溶液和顆粒中的IR-140 J聚集體具有相似的發射性，而單體不受980 nm光激發（圖3B）。因此，聚集對于低能量激發的SWIR成像至關重要。

接著作者又分析了HMSN在穩定IR140 J-聚集體中的作用。在室溫下在PBS中超過2周，觀察到載有IR140的HMSNs-PEG的吸光度僅降低~10%，并且沒有證據表明IR-140在納米顆粒內的包裝正在改變（圖3C，藍色）。HMSN不僅穩定了J-聚集體的組裝，而且還增強了光穩定性。

用InGaAs照相機測量熒光強度，通過在785nm（97mW/cm 2）激發來評估單體IR-140在DMSO中的光穩定性。如圖3D所示，HMSNs-PEG中的聚集體比溶液中的J聚集體穩定4倍，比單體穩定約60倍。該結果與使用二氧化硅殼通過限制可進入聚集體的活性氧物質的量來克服J-聚集體特有的差的光穩定性是一致的。綜上所述，我們的數據表明，HMSNs對于穩定J-聚集體的光和溶液至關重要。

圖4.靜脈注射16fps(980 nm，91 mW/cm~2激發；1000−1700 nm采集)的大鼠成像;在注射后3s(A)、8s(B)、25s(C)和120s(D)在5幀內平均減去背景的靜止圖像

最后，通過制備和表征明亮的SWIR發射納米粒子，評估了它們的生物相容性和體內成像性能。體外研究數據與關于介孔二氧化硅的其他研究一致，介孔二氧化硅通常被認為對動物無毒。使用IR-140加載的HMSNs-PEG在980 nm激發并從1000-1700 nm收集進行了體內成像實驗。將發射性HMSNs-PEG靜脈內注射到裸鼠和小鼠體內立即成像（圖4）HMSNs-PEG從血流中迅速清除，在肺，肝和脾中可見強烈信號。注射后50分鐘，這些器官內的信號強度保持恒定。

綜上所述，作者提出了IR-140的J-聚集體作為一種制備生物相容性、SWIR造影劑和在HMSN中穩定NIR熒光團的這一概念。IR-140J聚集體的紅移吸收和發射以及小的斯托克斯位移允許在980 nm激發和1000−1700 nm采集的情況下成像，從而提供高分辨率的活體圖像。

參考文獻

Chen W, Cheng CA, Cosco ED, Ramakrishnan S, Lingg JGP, Bruns OT, Zink JI, Sletten EM. Shortwave Infrared Imaging with J-Aggregates Stabilized in Hollow Mesoporous Silica Nanoparticles. J Am Chem Soc. 2019 Aug 14;141(32):12475-12480. doi: 10.1021/jacs.9b05195. Epub 2019 Aug 2. PMID: 31353894; PMCID: PMC6746239.

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