J-聚集体用于1500 nm以上近红外第二窗口的生物动态血管荧光成像

来源：材料人

背景介绍

精准的生物医学成像方法对疾病的诊断和预后至关重要。其中，荧光成像具有较高的灵敏度、分辨率和快速反馈等优势。近年来，研究发现了近红外第二窗口内的光子对生物组织具有较高的穿透深度和信噪比；尤其位于1500-1700 nm范围内的光子，生物组织在此范围内具有更低的散射，吸收和自发荧光。因此，位于1500-1700 nm范围内的生物荧光成像研究显示出了巨大的潜力，这激发了一系列探针的发展，包括稀土纳米颗粒、单壁碳纳米管、和量子点等。然而由于上述无机纳米材料潜在的生物毒性，近年来具有相对分子量较小以及易于代谢特性的近红外二区有机探针引起了广泛的关注。然而目前有机荧光染料仅通过结构修饰很难实现最大吸收波长和发射波长的红移。尤其对于最大吸收和发射波长位于1300 nm以上的有机分子的设计合成。因此，急需开发一种简单有效的制备方法来延长有机荧光染料的最大吸收和发射波长，并用于生物活体成像。

成果简介

针对上述问题，复旦大学的张凡教授（通讯作者）团队报道了一种新型的NIR-II探针--花菁染料FD-1080 J-聚集体，它是基于花菁染料FD-1080和1, 2-二肉豆蔻酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DMPC）的自组装而形成的J-聚集体，其最大吸收和发射波长均超过1300 nm。J-聚集在生理条件下显示出较高的亲水性和稳定性。通过分子动力学模拟证明了磷脂DMPC与花菁染料FD-1080在J-聚集体形成过程中的相互作用。同时，相对于短波长区域内的荧光成像，位于1500 nm以上的荧光成像具有最高的成像效果，包括分辨率，信噪比。此外，研究人员证明了利用J-聚集体可以监测临床使用的Isoket降压药给药后高血压大鼠颈动脉血管的动态变化过程用于评价降压效果。该研究成果近日以“J-Aggregates of Cyanine Dye for NIR-II in Vivo Dynamic Vascular Imaging beyond 1500 nm”为题发表在著名期刊J. Am. Chem. Soc.上，张凡教授课题组的博士生孙彩侠和李本浩为论文的共同第一作者。

图文解读

图一、花菁染料FD-1080单体及其 J-聚集体的性能测试

（a）FD-1080和DMPC的分子结构式；

（b）FD-1080单体和J-聚集体的归一化吸收和发射波长；

（c）FD-1080单体和J-聚集体的圆二色谱图；

（d）FD-1080单体和J-聚集体的荧光衰减曲线；

（e）FD-1080 J-聚集体的TEM图像、分子动力学模拟和J-聚集体示意图。

图二、分子动力学模拟

（a）DMPC存在下FD-1080的分子动力学模拟的侧视图；

（b）DMPC存在下FD-1080的分子动力学模拟的俯视图；

（c）形成J-聚集体的示意图；

（d）纯水中FD-1080的分子动力学模拟的侧视图。

图三、FD-1080 J-聚集体的体外荧光性能测试

（a）J-聚集体在不同深度的1%脂肪乳剂内的荧光图像；

（b）不同成像窗口穿透深度下J-聚集体的FWHM；

（c）通过不同区域的J-聚集获得大脑和后肢血管的图像；

（d-e）大脑和后肢荧光强度分布（实线）和高斯拟合（虚线）血管的红色虚线。

图四、FD-1080 J-聚集体的体内荧光成像

（a）动态血管成像的示意图；

（b）注射降压药Isoket后，颈动脉的血管随时间的变化；

（c）注射降压药Isoket后，颈动脉FWHM与时间的关系；

（d）注射降压药Isoket后，颈动脉收缩压（SBP）与时间的关系。

小结

综上所述，作者利用生物相容性的DMPC磷脂和花菁染料FD-1080组装并发生J-聚集以形成新型的近红外二区荧光探针，其可以在1500 nm以上的近红外二区窗口进行体内生物成像。同时，利用分子动力学模拟表明了磷脂DMPC与花菁染料FD-1080在J-聚集形成过程中的相互作用。FD-1080 J-聚集体探针可确保在近红外二区中以更高的信噪比和空间分辨率进行生物成像，也可以监测患有高血压大鼠服用降压药后降压过程中的动态血管变化。总之，该研究为制备近红外二区有机染料探针制备提供了一条新颖的途径，并且该途径可扩展到其他近红外分子染料J-聚集体的制备以在更长的波长下实现优异的生物成像。

文献链接：

J-Aggregates of Cyanine Dye for NIR-II in Vivo Dynamic Vascular Imaging beyond 1500 nm（J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI:10.1021/jacs. 9b10043）