硅-羅吲哚嗪熒光團(tuán)具有短波紅外吸收和發(fā)射曲線，可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)熒光成像

時(shí)間：2024/6/18閱讀：107

本文要點(diǎn)：短波紅外（SWIR，1,000-1,700 nm）和擴(kuò)展SWIR（ESWIR，1,700-2,700 nm）區(qū)域的體內(nèi)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(tuán)，其峰值發(fā)射波長(zhǎng)為1,300-1,700 nm，發(fā)射起點(diǎn)為1,800-2,200 nm。使用兩種熒光團(tuán)（SiRos1300和SiRos1550）配制了納米乳劑，并將它們用于小鼠心血管系統(tǒng)的一般體循環(huán)SWIR熒光成像。這些研究產(chǎn)生了高分辨率的SWIR圖像，在整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中可以看到清晰的脈管系統(tǒng)。該SiRos支架確立了生成長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射SWIR和ESWIR熒光團(tuán)的設(shè)計(jì)原則。

小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)

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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(zhǎng)的波長(zhǎng)進(jìn)行吸收和發(fā)射。通過這種方法，我們產(chǎn)生了長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射的小分子有機(jī)熒光團(tuán)，其波長(zhǎng)超出了當(dāng)前平均波長(zhǎng)>300 nm，發(fā)射起點(diǎn)（定義為5%的發(fā)射強(qiáng)度值）延伸到ESWIR區(qū)域（圖1）。

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圖1. 氧雜蒽和硅取代的氧雜蒽基熒光團(tuán)的發(fā)射量

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圖2. SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700的摩爾吸收率和歸一化發(fā)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值（圖1，2）。

在CH2Cl2中測(cè)量SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700的發(fā)射光譜和熒光量子產(chǎn)率（ΦF）（圖2）。對(duì)于SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700，染料的峰值發(fā)射值（λemismax）為1300?nm，1557?nm和~1700?nm。所有染料都在ESWIR區(qū)域內(nèi)具有發(fā)射起始點(diǎn)（λemis起始點(diǎn)），對(duì)于SiRos1300、SiRos1550和SiRos1700分別為：1800?nm，2000?nm和2200?nm。

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圖3. SiRos納米乳液的制備和通過靜脈注射在體內(nèi)的可視化

研究了基于菜籽油的納米乳劑，以延長(zhǎng)體內(nèi)成像時(shí)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(shí)，將納米乳液加載溶解在丙酮中的SiRos1300或SiRos1550。在體內(nèi)使用之前，SiRos1300納米乳液的平均粒徑為260 nm，多分散指數(shù)為0.44，而SiRos1550納米乳液的平均粒徑為194 nm，多分散指數(shù)為0.27。SiRos1300和SiRos1550負(fù)載納米乳液的吸收光譜顯示出與染料在有機(jī)溶劑中的吸收非常相似的特征，表明納米乳液中熒光團(tuán)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(xiàn)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(gè)循環(huán)系統(tǒng)中，在包括腹部、頸靜脈和股動(dòng)脈在內(nèi)的區(qū)域具有明確的小鼠脈管系統(tǒng)分辨率。橫截面強(qiáng)度如圖所示。SiRos1300 和 SiRos1550 分別為 3c，d。觀察到 SiRos1300 沿頸動(dòng)脈（~120 a.u. 對(duì) ~100 a.u.）和股動(dòng)脈（~120 a.u. 對(duì) ~70 a.u.）橫截面產(chǎn)生比 SiRos1550 更大的峰值信號(hào)強(qiáng)度，而兩種熒光團(tuán)沿腹部橫截面（~80 au）產(chǎn)生相當(dāng)?shù)姆逯敌盘?hào)強(qiáng)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(cè)的信號(hào)。

SiRos1300、SiRos1550 和 SiRos1700 具有低能量發(fā)射特性，可充分利用 SWIR 區(qū)域的優(yōu)勢(shì)，包括：（1）在 1,400–1,600 nm 的高對(duì)比度區(qū)域成像;（2）更深的成像;（3）擴(kuò)展多路復(fù)用能力。我們通過使用 SiRos1300 和 SiRos1550 的毛細(xì)管成像實(shí)驗(yàn)證明了這些途徑的潛力。SiRos1300 和 SiRos1550 在使用 1,400 nm 和 1,500 nm 長(zhǎng)波通濾光片成像時(shí)均顯示穩(wěn)定的信號(hào)。為了評(píng)估使用低能量波長(zhǎng)對(duì)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(tuán)的亮度EMIS系統(tǒng)麥克斯：JuloChrom5（872 nm）、Chrom7 （996 nm）、JuloFlav7 （1,088 nm）。本文在不同深度的 1% Intralipid 對(duì)這五個(gè)毛細(xì)血管進(jìn)行了成像，具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光染料的毛細(xì)管可以在更深的深度進(jìn)行分離。使用 1,400 nm 長(zhǎng)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(zhǎng)波通濾光片也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，只有 SiRos1300 和 SiRos1550 可在 4 mm 深度下解析。這與之前工作的脂質(zhì)內(nèi)實(shí)驗(yàn)一致，該實(shí)驗(yàn)證明了使用更長(zhǎng)波長(zhǎng)的發(fā)射器具有出色的深度穿透力和分辨率。最后，SWIR區(qū)域的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是擴(kuò)大了適用于通過組織成像的光譜窗口，便于進(jìn)行多色實(shí)驗(yàn)。SiRos染料擴(kuò)展到生物相容性熒光團(tuán)以前未到達(dá)的區(qū)域。SiRos1300 能夠與 JuloChrom5 和 Chrom7 一起進(jìn)行多路復(fù)用。由于激發(fā)激光器的限制，我們無(wú)法增加用于多路復(fù)用的通道數(shù)量，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)。SiRos 染料證明了技術(shù)與探針開發(fā)之間相互作用的重要性，這些染料超越了當(dāng)前 SWIR 成像裝置的優(yōu)化激發(fā)和發(fā)射范圍。

結(jié)論：

本研究設(shè)計(jì)和合成了一系列SiRos熒光團(tuán)，并表征了它們的光物理性質(zhì)。SiRos1300、SiRos1550 和 SiRos1700 具有λemismax 1,300 nm、1,557 nm 和1,700 nm，熒光量子產(chǎn)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(nèi)的光致發(fā)光壽命，以及壽命和發(fā)射能量的反向趨勢(shì)，其中 SiRos1700 > SiRos1550 > SiRos1300。觀察到的光致發(fā)光壽命趨勢(shì)歸因于隨著熒光團(tuán)的光隙減小，單重態(tài)和三重態(tài)激發(fā)態(tài)的潛在混合。熒光團(tuán)的瞬態(tài)密度泛函理論分析與在染料系列中觀察到的趨勢(shì)相匹配，其中 SiRos1700 > SiRos1550 > SiRos1300 的吸收波長(zhǎng)和垂直躍遷。前沿分子軌道表明部分電荷轉(zhuǎn)移行為，當(dāng)從非極性非質(zhì)子（CH2Cl2）到極性非質(zhì)子溶劑（CH3CN）。使用SiRos1300和SiRos1550在菜籽油基納米乳液中進(jìn)行體內(nèi)SWIR成像實(shí)驗(yàn)。這些制劑在股動(dòng)脈、腹腔和頸靜脈中顯示出小鼠脈管系統(tǒng)的完整循環(huán)分布和高分辨率成像?？偟膩?lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作說(shuō)明了未來(lái)長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射SWIR熒光團(tuán)的設(shè)計(jì)原則。未來(lái)的工作重點(diǎn)是在ESWIR區(qū)域設(shè)計(jì)水溶性熒光團(tuán)和更高量子產(chǎn)率的熒光團(tuán)。此外，基于這些設(shè)計(jì)原理，正在追求在中波紅外（3,000-5,000 nm）區(qū)域發(fā)射的熒光團(tuán)。

參考文獻(xiàn)

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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近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS

NIR-II in vivo imaging system

應(yīng)用圖＋產(chǎn)品new-近紅外二區(qū).png

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

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高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀

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恒光智影

上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評(píng)為上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃"科學(xué)儀器領(lǐng)域立項(xiàng)單位。

恒光智影，致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一體化的成像解決方案。

與基于可見光/近紅外一區(qū)的傳統(tǒng)熒光成像技術(shù)相比，我們的技術(shù)側(cè)重于近紅外二區(qū)范圍并整合CT, X-ray，超聲，光聲成像技術(shù)。

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