本文要點(diǎn)：本研究通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)合成具有新型骨架Cy15s的NIR-II熒光團(tuán)，成功將吲哚菁聚甲炔的發(fā)射波長(zhǎng)紅移至1200 nm以上，顯著提升了生物成像的對(duì)比度和穿透深度。開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單且模塊化的四步合成路線，為臨床成像劑的優(yōu)化提供了重要參考。Cy15s在二氯乙烷（DCM）中表現(xiàn)出最高1287 nm的發(fā)射波長(zhǎng)和117.1 M?1cm?1的亮度，是現(xiàn)有1200 nm以上發(fā)射聚甲炔熒光團(tuán)亮度的6倍。低細(xì)胞毒性和優(yōu)異光學(xué)特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)高信噪比的NIR-IIb血管成像和長(zhǎng)期原位腫瘤成像。

小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)

本研究提出了一種新的合成策略，涉及穩(wěn)定的中間體和整體的4步合成路線，以構(gòu)建Cy15 熒光團(tuán)。如方案 1B 所示，通過(guò) Vilsmeier-Haack 反應(yīng)，戊二烯衍生物可以輕松高效地從環(huán)酮合成。通過(guò)將戊二烯醛與苯并吲哚衍生物縮合，獲得了氯取代醛。通過(guò)可選的Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)，獲得了單官能醛2。然后，以酮為連接單元，通過(guò)高效的羥醛縮合定量合成具有15碳鏈的化合物3。最后，通過(guò)簡(jiǎn)單的金屬有機(jī)反應(yīng)，例如 Grignard 反應(yīng)，高效合成了吸收峰超過(guò)1,200 nm、發(fā)射峰超過(guò)1,250 nm的Cy15熒光團(tuán)。

方案1. 吲哚菁聚甲炔熒光團(tuán)的合成工藝

1上的初始氯化物可以很容易地被取代（R1）改變聚甲辛鏈的電子和空間特性。通過(guò)使用各種有機(jī)金屬試劑，不同的烷基或芳基（R2）可以連接到共軛鏈的中心。此外，聚甲辛主鏈上的環(huán)（表示為環(huán) A 和 B）可以定制以控制Cy15的構(gòu)象，從而影響彎曲角度和扭轉(zhuǎn)角度等參數(shù)。通過(guò)這些方法，研究者成功合成了10個(gè)具有不同取代基和構(gòu)象的Cy15熒光團(tuán)，命名為SJ系列（SJ-1174、SJ-1246、SJ-1249、SJ-1260、SJ-1268、SJ-1269、SJ-1271、SJ-1275、SJ-1277 和 SJ- 1287）。圖 2A、2B顯示了 Cy15 在 DCM 中的歸一化吸收和發(fā)射光譜。Cy15s 在 NIR-II 區(qū)域表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收能力，具有高達(dá) 2.5 × 105M?1·cm?1 的高摩爾吸收系數(shù) （ε）和0.048%熒光量子產(chǎn)率 （ΦF），優(yōu)于發(fā)射波長(zhǎng)超過(guò) 1,200 nm 的其他聚甲辛。Cy15s 的斯托克斯位移 （54-63 nm） 大約是 Cy7-Cy11 系列 （28-37 nm） 的兩倍，也高于其他 NIR-II 聚甲嘧啶的斯托克斯位移。

圖2. Cy15s 的化學(xué)結(jié)構(gòu)和光譜

簡(jiǎn)而言之，共軛鏈上的吸電子取代導(dǎo)致波長(zhǎng)紅移，而電子供體修飾導(dǎo)致Cy15 的藍(lán)移和量子產(chǎn)率增加。摻入更多的 5 元環(huán)導(dǎo)致波長(zhǎng)顯著增加，而量子產(chǎn)率則合理降低。增強(qiáng)的空間位阻也提高了量子產(chǎn)率。Cy15s 的最大吸收波長(zhǎng)范圍為1128 至 1241 nm，而最大發(fā)射波長(zhǎng)范圍為1174至1287 nm。量子產(chǎn)率（范圍從0.010% 到0.048%）和高摩爾消光系數(shù)（高達(dá)2.6 × 105M?1·cm?1） 有助于實(shí)現(xiàn)高達(dá)117.1 M?1·cm?1的亮度，比發(fā)射波長(zhǎng)超過(guò) 1,200 nm 的聚甲辛熒光基團(tuán)的最佳性能高6倍。

圖4. NIR-II血管系統(tǒng)體內(nèi)成像

接下來(lái)，對(duì)小鼠進(jìn)行NIR IIb體內(nèi)血管成像。使用不同長(zhǎng)通濾波器（LP 1100、LP 1300和LP 1500）對(duì)后肢血管進(jìn)行成像比較，結(jié)果顯示，使用LP 1500成像相比LP 1100和LP 1300實(shí)現(xiàn)了更高的信噪比（SNR）和更低的半高全寬（FWHM）值（圖4A和S19）。在LP 1500下，黃點(diǎn)虛線處編號(hào)為1、2和3的三條血管清晰可辨，其最大信噪比分別為3.79、2.86和5.99，半高全寬分別為351微米、209微米和895微米（血管1-3）。相比之下，中間的血管（血管2）在LP 1100和LP 1300下幾乎難以分辨。LP 1500下優(yōu)異的信噪比和半高全寬可歸因于NIR-IIb波段組織散射的減少。

為了進(jìn)一步比較SJ-1249-MICELLES和ICG在后肢成像中的效果，研究者進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，使用SJ-1249-MICELLES時(shí)，股動(dòng)脈和股靜脈清晰可辨，其最大信噪比（SNR）分別為5.80和5.07，半高全寬（FWHM）分別為387微米和532微米（圖4C，血管1和2）。相比之下，ICG成像僅顯示一個(gè)峰值，信噪比為1.51，半高全寬為508微米（圖4B，血管1）。此外，SJ-1249-MICELLES還能識(shí)別出五條毛細(xì)血管，其最大信噪比分別為6.79、5.00、4.33、5.96和4.33（圖4C，血管3-7）。而使用ICG成像只能識(shí)別出四條毛細(xì)血管，且信噪比較低，分別為1.37、1.40、1.57和1.52（圖4B，血管2-5）。在腹部的NIR-IIb成像中，可以識(shí)別出三條毛細(xì)血管，其最大信噪比分別為2.90、2.67和3.39，半高全寬分別為196微米、472微米和385微米（圖4D，血管1-3）。腦血管成像顯示，中央血管的最大信噪比為5.37（血管2），并識(shí)別出三條毛細(xì)血管，其最大信噪比分別為3.87（血管1）、2.12（血管3）和1.82（血管4）（圖4E）。這些高信噪比的血管成像結(jié)果突顯了新型吲哚氰多甲基熒光染料Cy15s在NIR-IIb成像中的巨大潛力。

圖5. 原位4T1荷瘤小鼠的NIR-II成像

通過(guò)將 4T1 細(xì)胞植入 Balb/c 裸鼠的乳腺脂肪墊中建立了原位乳腺腫瘤模型。隨后，通過(guò)尾靜脈注射將SJ-1249-Micelles 注入荷瘤小鼠體內(nèi)，并進(jìn)行時(shí)間依賴性的近紅外二區(qū)（NIR-II）成像（圖5A）。增強(qiáng)的滲透性和滯留（EPR）效應(yīng)使得腫瘤與正常組織之間的差異更加明顯，這是因?yàn)槟[瘤中微球的滯留量更大，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度更高。值得注意的是，在注射后觀察到腫瘤有強(qiáng)烈的熒光，即使在注射后72小時(shí)也能檢測(cè)到腫瘤周圍的血管。測(cè)量了腫瘤與正常組織的比率（TNR）以及正常組織隨時(shí)間變化的熒光強(qiáng)度（圖5B）。SJ-1249-Micelles 的熒光信號(hào)每24小時(shí)下降到原來(lái)的75%，半衰期為2.4天，而TNR在注射后 6 小時(shí)達(dá)到峰值，高達(dá)3.0，并在72小時(shí)后保持在1.9。SJ-1249-Micelles在腫瘤中的超長(zhǎng)灌注時(shí)間表明其具有長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的能力，這對(duì)于進(jìn)一步的體內(nèi)應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)。這種延長(zhǎng)的滯留時(shí)間能夠有效追蹤腫瘤的動(dòng)態(tài)變化以及對(duì)治療的反應(yīng)，從而增強(qiáng)對(duì)腫瘤進(jìn)行綜合縱向研究的潛力。這些特性使得 SJ-1249-Micelles 成為癌癥研究和治療監(jiān)測(cè)中持續(xù)評(píng)估的有前途的工具。此外，在注射 SJ-1249-Micelles 后 6 小時(shí)進(jìn)行的NIR-II成像測(cè)量了腫瘤的信噪比（SNR），揭示了高達(dá)4.76的最大SNR（圖5C）。還使用1208 nm激光激發(fā)和1500 nm長(zhǎng)通濾波器進(jìn)行了腫瘤及其周圍血管的NIR-IIb成像。腫瘤和血管很容易區(qū)分，可以識(shí)別出腫瘤附近的四條毛細(xì)血管，最大SNR達(dá)到2.44。SJ-1249-Micelles 在腫瘤和毛細(xì)血管的無(wú)創(chuàng) NIR-II 成像方面顯示出巨大的潛力。

本文構(gòu)建了一種新的吲哚氰多甲烯熒光染料Cy15s支架，其最大吸收波長(zhǎng)超過(guò)1200 nm，發(fā)射波長(zhǎng)超過(guò)1280 nm，是目前吲哚氰多甲烯類中最長(zhǎng)的。開(kāi)發(fā)了一種整體4步的模塊化簡(jiǎn)潔合成路線，用于合成十五甲烯吲哚氰熒光染料Cy15s。新的共軛鏈允許通過(guò)改變彎曲角和旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行多次修飾，從而調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)，使最大發(fā)射波長(zhǎng)從1174 nm調(diào)節(jié)到1287 nm，與計(jì)算化學(xué)研究結(jié)果高度一致，并且實(shí)現(xiàn)了高達(dá)117.1 M?1?cm?1的顯著亮度。得益于水溶性微球的低細(xì)胞毒性和良好的吸收發(fā)射光譜，分別獲得了小鼠后肢、腹部和大腦的NIR-IIb血管成像，信噪比（SNR）分別為6.79、3.39和5.37。原位4T1腫瘤荷載小鼠的NIR-II成像顯示，腫瘤和腫瘤周圍毛細(xì)血管可以被識(shí)別，具有高達(dá)3.0的腫瘤與正常組織比（TNR）和4.76的信噪比（SNR）。本研究為共軛鏈提供了一種新的支架，為NIR-II探針的設(shè)計(jì)和合成開(kāi)辟了新途徑。這一創(chuàng)新增強(qiáng)了深層組織成像能力和腫瘤研究。本研究的方法和發(fā)現(xiàn)可為未來(lái)研究提供重要參考，特別是在優(yōu)化成像劑以用于臨床應(yīng)用以及通過(guò)先進(jìn)的成像技術(shù)改善對(duì)腫瘤生物學(xué)的理解方面。

參考文獻(xiàn)

Ge R T, Xiong F, Chen Z B, et al. Indocyanine polymethine fluorophores with extended π-conjugation emitting beyond 1,200 nm for enhanced NIR-II imaging[J]. Chem, 2025.

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