硅-羅吲哚嗪熒光團：短波紅外吸收和發射曲線實現體內熒光成像
本文要點：短波紅外（SWIR，1,000-1,700 nm）和擴展SWIR（ESWIR，1,700-2,700 nm）區域的體內熒光成像在診斷成像方面具有巨大的潛力。本文合成了一系列硅-羅吲哚嗪（SiRos）熒光團，其峰值發射波長為1,300-1,700 nm，發射起點為1,800-2,200 nm。使用兩種熒光團（SiRos1300和SiRos1550）配制了納米乳劑，并將它們用于小鼠心血管系統的一般體循環SWIR熒光成像。這些研究產生了高分辨率的SWIR圖像，在整個循環系統中可以看到清晰的脈管系統。該SiRos支架確立了生成長波長發射SWIR和ESWIR熒光團的設計原則。
本文研究了硅取代的氧雜蒽芯與DMA裝飾的吲哚嗪供體的組合，以利用更長的波長進行吸收和發射。通過這種方法，我們產生了長波長發射的小分子有機熒光團，其波長超出了當前平均波長>300 nm，發射起點（定義為5%的最大發射強度值）延伸到ESWIR區域（圖1）。
圖1. 氧雜蒽和硅取代的氧雜蒽基熒光團的最大發射量
圖2. SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700的摩爾吸收率和歸一化發射
吸收光譜顯示，在 CH2Cl2中，SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700在1,140 nm、1,348 nm和1,440 nm處具有顯著的低能量最大值（圖1，2）。
在CH2Cl2中測量SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700的發射光譜和熒光量子產率（ΦF）（圖2）。對于SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700，染料的峰值發射值（λemismax）為1300 nm，1557 nm和~1700 nm。所有染料都在ESWIR區域內具有發射起始點（λemis起始點），對于SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700分別為：1800 nm，2000 nm和2200 nm。
圖3. SiRos納米乳液的制備和通過靜脈注射在體內的可視化
研究了基于菜籽油的納米乳劑，以延長體內成像時間。納米乳液是通過在磷酸鹽緩沖鹽水中使用 Pluronic F-68 表面活性劑乳化菜籽油制成的（圖3a)。隨后，通過搖晃混合物至少1小時，將納米乳液加載溶解在丙酮中的SiRos1300或SiRos1550。在體內使用之前，SiRos1300納米乳液的平均粒徑為260 nm，多分散指數為0.44，而SiRos1550納米乳液的平均粒徑為194 nm，多分散指數為0.27。SiRos1300和SiRos1550負載納米乳液的吸收光譜顯示出與染料在有機溶劑中的吸收非常相似的特征，表明納米乳液中熒光團的單分子行為（圖3b，頂部）。在相同的成像條件下，觀察到SiRos1300納米乳液的亮度大約是SiRos1550納米乳液的兩倍（圖3b，底部）。
SiRos1300 和 SiRos1550 納米乳劑均表現出出色的空間分辨率，這是 SWIR 熒光成像的特征（圖3c，d）。觀察到兩種納米乳劑在尾靜脈注射后不久分布在整個循環系統中，在包括腹部、頸靜脈和股動脈在內的區域具有明確的小鼠脈管系統分辨率。橫截面強度如圖所示。SiRos1300 和 SiRos1550 分別為 3c，d。觀察到 SiRos1300 沿頸動脈（~120 a.u. 對 ~100 a.u.）和股動脈（~120 a.u. 對 ~70 a.u.）橫截面產生比 SiRos1550 更大的峰值信號強度，而兩種熒光團沿腹部橫截面 （~80 au） 產生相當的峰值信號強度。此外，注射兩種納米乳劑的小鼠在注射兩周后顯示出可檢測的信號。
SiRos1300、SiRos1550 和 SiRos1700 具有低能量發射特性，可充分利用 SWIR 區域的優勢，包括：（1） 在 1,400–1,600 nm 的高對比度區域成像;（2）更深的成像;（3）擴展多路復用能力。我們通過使用 SiRos1300 和 SiRos1550 的毛細管成像實驗證明了這些途徑的潛力。SiRos1300 和 SiRos1550 在使用 1,400 nm 和 1,500 nm 長波通濾光片成像時均顯示穩定的信號。為了評估使用低能量波長對深度穿透的影響，我們均衡了 SiRos1300 和 SiRos1550 以及其他三種具有更高能量 λ 的熒光團的亮度EMIS系統麥克斯：JuloChrom5（872 nm）、Chrom7 （996 nm）、JuloFlav7 （1,088 nm）。本文在不同深度的 1% Intralipid 對這五個毛細血管進行了成像，具有較長波長發光染料的毛細管可以在更深的深度進行分離。使用 1,400 nm 長波通濾光片，只有 SiRos1550 可以在 4 mm 深度下分辨，SiRos1300、JuloFlav7、Chrom7 和JuloChrom5 分別在 3.5 mm、3 mm、2.5 mm 和 2 mm 處分辨。使用1,500 nm 長波通濾光片也發現了類似的結果，只有 SiRos1300 和 SiRos1550 可在 4 mm 深度下解析。這與之前工作的脂質內實驗一致，該實驗證明了使用更長波長的發射器具有出色的深度穿透力和分辨率。最后，SWIR區域的一個重要優勢是擴大了適用于通過組織成像的光譜窗口，便于進行多色實驗。SiRos染料擴展到生物相容性熒光團以前未到達的區域。SiRos1300 能夠與 JuloChrom5 和 Chrom7 一起進行多路復用。由于激發激光器的限制，我們無法增加用于多路復用的通道數量，但隨著技術的進步，這應該能夠實現。SiRos 染料證明了技術與探針開發之間相互作用的重要性，這些染料超越了當前 SWIR 成像裝置的優化激發和發射范圍。
結論：
本研究設計和合成了一系列SiRos熒光團，并表征了它們的光物理性質。SiRos1300、SiRos1550 和 SiRos1700 具有λemismax 1,300 nm、1,557 nm 和1,700 nm，熒光量子產率分別為 0.0056%、0.0025%和 0.0011%（均以 CH2Cl2)。該系列觀察到皮秒范圍內的光致發光壽命，以及壽命和發射能量的反向趨勢，其中 SiRos1700 > SiRos1550 > SiRos1300。觀察到的光致發光壽命趨勢歸因于隨著熒光團的光隙減小，單重態和三重態激發態的潛在混合。熒光團的瞬態密度泛函理論分析與在染料系列中觀察到的趨勢相匹配，其中 SiRos1700 > SiRos1550 > SiRos1300 的吸收波長和垂直躍遷。前沿分子軌道表明部分電荷轉移行為，當從非極性非質子（CH2Cl2）到極性非質子溶劑（CH3CN）。使用SiRos1300和SiRos1550在菜籽油基納米乳液中進行體內SWIR成像實驗。這些制劑在股動脈、腹腔和頸靜脈中顯示出小鼠脈管系統的完整循環分布和高分辨率成像。總的來說，這項工作說明了未來長波長發射SWIR熒光團的設計原則。未來的工作重點是在ESWIR區域設計水溶性熒光團和更高量子產率的熒光團。此外，基于這些設計原理，正在追求在中波紅外（3,000-5,000 nm）區域發射的熒光團。
參考文獻
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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