恒光讲堂｜近红外二区NIR-II红外成像——J聚集体稳定在中空介孔二氧化硅纳米粒子中

2021-09-28 19:00:04, 恒光智影上海恒光智影医疗科技有限公司

本文要点：组织对短波红外线，即近红外二区NIR-II 是半透明的，使光学成像在这一区域表现优异。然而，光学SWIR成像的广泛使用一直受到限制，部分原因是缺乏吸收和发射1000纳米以上光的明亮、生物兼容的造影剂。

J-聚集体提供了一种将稳定的近红外(NIR)荧光团转化为红移SWIR造影剂的方法。本文作者证明了可以在空心介孔二氧化硅纳米颗粒(HMSNs)内部制备NIR荧光团IR-140的聚集体，从而形成吸收和发射SWIR光的纳米材料。聚乙二醇化的HMSN内的J-聚集体在缓冲液中稳定数周，并能在980 nm激发下进行高分辨率活体成像。

图1 (A)用于光学成像的电磁频谱区域 (B)J聚集和特征光物理性质；C)IR-140；(D)IR-140 J-聚集体在中空介孔二氧化硅纳米颗粒(HMSN)中的稳定，以产生生物相容性的SWIR发射造影剂

J-聚集是发色团的滑动堆叠排列，导致激发态跃迁偶极子的建设性耦合(图1B)。J-聚集的光物理后果是吸收和发射光谱发生红移，吸收和发射波段窄，斯托克斯位移小，吸收系数(ε)增强，荧光寿命缩短，从而提高量子产率(ΦF)和循环速率。J聚集体的许多特性对于活体成像是有益的：红移的吸收和发射光谱将使激发和图像采集过程中的深度穿透，窄带可以促进多路成像，而增加的ε将产生明亮的材料。J-聚集体通常比单体具有显著的光物理优势，但由于难以在复杂的环境中获得和稳定必要的发色团排列，使用J-聚集体进行活体成像的报道很少。而纳米结构可以隔离和保护有效载荷，使其成为一种在体内稳定J-聚集体很有前途的方法。

空心介孔二氧化硅纳米颗粒(HMSN)有2−4 nm的孔，这些孔开放到一个10−200 nm大空腔，使得这些纳米结构能够承载大量的货物。首先，为了在HMSN中实现SWIR-发射J-聚集体，作者使用了七甲基染料IR-140。IR-140是一种商品化的近红外荧光团(λ(Max)，abs=826 nm，λ(Max)，em=875 nm)，已被用作光聚合引发剂、荧光有效载荷、等离子体阵列的组分、以及Raman和双光子成像剂。16年报道，将IR-140引入谷胱甘肽包裹的量子点可以形成J-聚集体，观察到两个聚集体，作者设想，类似的IR-140 J聚集体可以在HMSN的带负电荷的孔隙和内表面形成。此外，一旦聚集体在颗粒内部组装，IR-140的疏水性质将使它们不太可能在水环境中解体，从而使J-聚集体在体内稳定。

图2.(A)将IR-140加载到HMSN的示意图；(B)洗涤条件有利于J-聚集；(C，D)经(D)IR-140处理和未经(C)IR-140处理的HMSN的TEM图像

然后作者用不同量的IR-140在不同溶剂中处理HMSN（图2A）。发现当溶解在DMSO中的IR-140与HMSN结合并洗涤时，可以获得SWIR J-聚集体。事实证明，洗涤程序对于获得所需的J2聚集体形成至关重要（图2B），温和的PBS洗涤可产生最大量的所需J2聚集体（深蓝色，图2B）。通过分析洗涤程序后收集的IR-140，计算出IR140的加载量为~103分子颗粒。通过透射电子显微镜（TEM）进一步表征HMSN，其显示具有明显空腔和孔的~85nm颗粒（图2C）。通过氮吸附实验将孔径定量为3.2nm。虽然在空HMSN的TEM中孔清晰可见，但在用IR-140处理后它们变暗（图2D），表明存在IR-140。

在确认HMSN可以促进IR-140的聚集之后，用聚（乙二醇）（PEG）修饰表面，使得它们可以悬浮在水性介质中。此过程导致HMSN在外部带正电荷，但仍包含带负电荷的内部以与阳离子IR140缔合。将IR-140引入HMSN APTS的过程与HMSN相似，产生类似的IR-140负载和更高的J2：J1的比例。

图3(A)IR-140聚集体在HMSNS中的归一化吸收和发射-PEG(蓝色)，J-聚集体在溶液中(红色)和单体(黄色)；(B)在980 nm激发下，IR-140单体(左)、溶液中的J-聚集体(中)和HMSNS-−中的J-聚集体(右)的发射；(C)在第0天(固体)和第1天或第14天(虚线)，IR-140 J-聚集体在35%DMSO/0.9%NaCl水中(红色)和HMSNS-PEG在PBS(蓝色)中的归一化相对吸收;(D)IR-140 J-聚集体在HMSNS-PEG(蓝色)和IR-140 J-聚集体在35%DMSO/0.9%NaCl水中(红色)和IR-140 J-聚集体在DMSO中的光稳定性(红色)和单体在DMSO(黄色)中的光稳定性

接下来，评估了含有IR-140的聚乙二醇化HMSN(HMSNS-PEG)的光物理性能，并与单体和J-聚集体的IR-140在溶液中进行了比较(图3A)。单体IR-140得到了很好的表征；发现35%DMSO/0.9%NaCl在水中形成了所需的SWIR J-聚集体，其中最大abs 1042nm，最大em 1043nm。含有HMSNs-PEG的IR-140具有相似的光谱性质。当用980nm激光激发IR140在DMSO中的溶液，在35%DMSO/0.9%NaCl水溶液中的IR-140和在PBS中加载IR-140的HMSNs-PEG时，用于体内成像实验的波长，溶液和颗粒中的IR-140 J聚集体具有相似的发射性，而单体不受980 nm光激发（图3B）。因此，聚集对于低能量激发的SWIR成像至关重要。

接着作者又分析了HMSN在稳定IR140 J-聚集体中的作用。在室温下在PBS中超过2周，观察到载有IR140的HMSNs-PEG的吸光度仅降低~10%，并且没有证据表明IR-140在纳米颗粒内的包装正在改变（图3C，蓝色）。HMSN不仅稳定了J-聚集体的组装，而且还增强了光稳定性。

用InGaAs照相机测量荧光强度，通过在785nm（97mW/cm 2）激发来评估单体IR-140在DMSO中的光稳定性。如图3D所示，HMSNs-PEG中的聚集体比溶液中的J聚集体稳定4倍，比单体稳定约60倍。该结果与使用二氧化硅壳通过限制可进入聚集体的活性氧物质的量来克服J-聚集体特有的差的光稳定性是一致的。综上所述，我们的数据表明，HMSNs对于稳定J-聚集体的光和溶液至关重要。

图4.静脉注射16fps(980 nm，91 mW/cm~2激发；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帧内平均减去背景的静止图像

最后，通过制备和表征明亮的SWIR发射纳米粒子，评估了它们的生物相容性和体内成像性能。体外研究数据与关于介孔二氧化硅的其他研究一致，介孔二氧化硅通常被认为对动物无毒。使用IR-140加载的HMSNs-PEG在980 nm激发并从1000-1700 nm收集进行了体内成像实验。将发射性HMSNs-PEG静脉内注射到裸鼠和小鼠体内立即成像（图4）HMSNs-PEG从血流中迅速清除，在肺，肝和脾中可见强烈信号。注射后50分钟，这些器官内的信号强度保持恒定。

综上所述，作者提出了IR-140的J-聚集体作为一种制备生物相容性、SWIR造影剂和在HMSN中稳定NIR荧光团的这一概念。IR-140J聚集体的红移吸收和发射以及小的斯托克斯位移允许在980 nm激发和1000−1700 nm采集的情况下成像，从而提供高分辨率的活体图像。

参考文献

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.

⭐️ ⭐️ ⭐️

近红外二区小动物活体荧光成像系统 - MARS

NIR-II in vivo imaging system