热点应用丨超光稳定小分子染料推动近红外生物光子学

2024-03-26 09:36:23, 数联 天美仪拓实验室设备(上海)有限公司


近红外染料是一类在近红外光谱范围内具有吸收和发射光子性能的化合物,在医学诊断、生物成像、材料科学和工业领域都具有广泛的应用潜力。近红外吸收染料可以用于对各类皮肤病、肿瘤等疾病进行光动力或光热治疗,也可用作疾病诊断的光声造影剂;近红外发射染料可以用于手术导航的荧光造影剂,对组织结构或者疾病病灶的边缘进行显像,辅助外科医生进行手术切除。近年来,波长在700到1700纳米范围内的光子被发现具有更优异的生物组织穿透性能,因而生物医学领域对于吸收和发射在这一波段内的近红外染料的需求正在不断增加。

目前,领域中的近红外染料主要是围绕着传统的花菁、氟硼吡咯、方酸菁、卟啉、酞菁、香豆素和罗丹明等母体进行开发。为了将母体的波长延长至近红外区域,现行的普遍策略需要通过拓展共轭、融合杂原子等手段将分子结构做大,这会导致染料水溶性、生物相容性以及光稳定性的下降,同时更大更复杂的结构也会令合成变得困难,难以满足大规模制备的需求。

因此,有必要寻找新型近红外染料母体,并探索合适的合成方法,开发溶解性和光稳定性好、分子结构小巧、同时吸收发射波长还长的近红外染料,这将有助于推动近红外光子技术在医学、生物科学和其他领域的应用,为诊断和治疗等领域提供新的解决方案。

为解决上述问题,复旦大学张凡教授研究团队探索了一种原子节约型的波长拓展策略,通过在推-拉电子结构中插入一个4π电子的五元环,获得了一系列分子量在299-504 Da,光谱范围覆盖700-1600 nm的氨基芴(AF)染料,其具有超过大多数常规染料的波长-分子量比(λabs/Mw)。AF骨架具有基态反芳香性和激发态芳香性,与传统染料具有[4n+2]π电子休克尔芳香性相反。这一特性导致了固有的窄HOMO-LUMO间隙。此外,研究发现,引入反芳香性结构增加了电子跃迁时的振动耦合,从而导致超快的激发态衰减和超高的光稳定性。

图1. (a,b) AF1-AF14的两步合成路线和对应的取代基结构以及吸收峰波长;(c,d) 几种代表性的AF染料的吸收和发射光谱;(e,f) AF染料的吸收峰波长(e)和峰肩比(f)与计算的取代胺基的垂直电离能之间的线性关系。

随后,研究团队利用AF染料的小巧结构,通过简单的修饰策略——引入一个羧基,在分子量小幅增加44 Da的情况下,油水分配系数(cLogD)大幅下降,从而获得了较好的水溶性,并减少了生物体内的非特异性相互作用。而传统策略则通常需要大分子修饰或胶束包裹来获得更好的水溶性。体内荧光成像结果显示分子结构和分子量变化对染料药代动力学的重要影响。研究团队还利用这一药代动力学差异,演示了AF染料用于活体内多通道荧光成像的应用潜力。

图2. (a) 几种AF染料衍生物的化学结构;(b) AF染料和衍生物的活体NIR-II荧光成像情况;(c-e) 染料在各时间点在肝脏和肾脏中的定量荧光信号分布情况;(f,g) 染料的单侧肾脏缺血再灌注过程示意图和活体内NIR-II成像情况;(h) 图g中两侧肾脏荧光强度比值随时间的变化过程;(i) 活体NIR-II多光谱荧光成像工作流程示意图。

进一步地,研究团队利用小鼠肾损伤模型研究了染料在临床前诊断中的潜在应用价值。结果表明,经过羧基修饰的小分子水溶性结构AF3-COOH能够在10分钟内检出肾脏损伤,相比大分子对照结构快6倍,这一结果证明了AF染料在临床诊断中的巨大价值,具有将诊断时间提前和提高生物相容性的潜力。

研究团队表示,AF染料具有良好的细胞渗透性,易于功能化获得药代动力学可调性,刺激响应特性,使其成为生物成像和传感的优良工具。这一研究促进了反芳香性染料的生物应用,并强调了反芳香性作为一种有效的设计规则,可以克服传统芳香性体系的局限性。

参考文献 

Yan, K., Hu, Z., Yu, P. et al. Ultra-photostable small-molecule dyes facilitate near-infrared biophotonics. Nat Commun 15, 2593 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46853-0

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