从战略设计到分子成像—NIR-IIa/IIb荧光团

第二个近红外窗口(NIR-II,1000–1700 nm)的活体成像使我们能够深入观察活体,为生物医学研究和临床应用创造了巨大的机会。这些染料可用于近零组织自体荧光和更深组织穿透的无创NIR IIa/IIb成像,解决很多在实际应用中遇到的问题。

洪学传教授团队与国内外研究团队合作在《Chemical Reviews》期刊上发表题为“Versatile Types of Inorganic/Organic NIR-IIa/IIb Fluorophores: From Strategic Design toward Molecular Imaging and Theranostics”的综述文章,该综述概述了迄今为止关于无机/有机NIR IIa/IIb荧光团的设计、性质、分子成像和治疗的进展。

文章先简短的介绍了近红外II荧光染料的兴起原因。与CT(计算机断层扫描), MRI(磁共振成像这些成像)等方式相比,红外荧光染料可以达到更低的检测限度(∼10-9-10-12浓度)、非放射性、更快速反馈和更高灵敏度的光学成像,它是解决现有医学、检测、手术成像的一个重要手段。

图1:近红外IIa/IIb成像发展时间线

文章进一步梳理了近红外IIa/IIb成像发展时间线(图1),第一个“透明窗口”近红外I窗口(NIR-I,750–900 nm)中的NIR-I探针如吲哚青绿(ICG)和亚甲基蓝(MB)已广泛用于临床图像引导前哨淋巴结切除手术。然而,在NIR-I荧光成像中,成像深度仍然是一个固有问题。2009年,Smith等人提出了第二个波长从1000-1700 nm的“透明窗口”,为这一问题的解决带来了新的契机。

然后文章按照单壁碳纳米管(SWCNTs)、量子点(QDs)、稀土掺杂纳米颗粒(RENPs)和有机荧光团(OFs)的顺序总结了最新功能性NIR IIa/IIb生物材料的设计概念、遇到的主要问题和增强荧光的主要方法(图2),概述每种荧光团面临的主要障碍以及增强成像的相应策略性能以及生物相容性。

图2:概述每种荧光团面临的主要障碍以及增强成像的相应策略。
纳米管(SWCNTs)
荧光和直径之间的关系允许科学家通过控制单壁碳纳米管的直径分布,将发射波长调谐到NIR IIa/IIb区域。因此,Dai及其同事于2008年首次报道了具有宽近红外荧光发射的单壁碳纳米管用于细胞成像。然后将水溶性单壁碳纳米管应用于NIR-II生物透明窗口中的体内肿瘤血管成像。这一令人振奋的结果不仅将单壁碳纳米管引入生物医学成像领域,还为体内NIR-II生物成像开辟了一个新纪元。然而,对于单壁碳纳米管的有效成像和治疗方法的开发仍然存在一些挑战:
  • 所制备的样品是具有不同直径分布的金属和半导体SWCNT(s-SWCNT)的混合物;
  • 荧光量子产率(QY)较低是由于固有特性和外在猝灭因素造成的;
  • 疏水性、不良的药代动力学特性以及毒性。
要克服纳米管(SWCNTs)遇到的问题,可以从如下的方面入手
  • 低量子产率
    • 窄直径和手性分布
    • 选择性蚀刻m-SWCNT
    • 移除侧壁上的淬火剂
    • 避免单壁碳纳米管捆绑
    • 采用温和的处理方法,尽量减少缺陷和长度缩短
  • 毒性和金属代谢特性
    • 共价表面功能化
    • 非共价表面功能化
    • 去除金属杂质
有机荧光团(OFs)
与无机材料相比,小分子的清晰结构和优越的代谢特性为其提供了广阔的临床应用前景。2016年,洪学传老师团队与Antaris等人共同报告了第一个最大发射波长为1055 nm的NIR-II有机小分子CH1055。它的D-A-D结构由电子供体基团(D)和电子受体基团(A)组成,为NIR-II有机小分子提供了最有效的支架之一(CH1055及其衍生物—可代谢可修饰的近红外II区小分子染料)。从那时起,一系列NIR-II有机荧光团得到了相当大的发展。

对于NIR-II有机荧光团,其光致发光机制主要依赖于分子内电荷转移(ICT)过程。当荧光团被激发到激发态时,电子将从施主转移到受主,形成电荷分离,然后生成电荷转移状态。因此,通过调节不同电子供体和受体之间的电荷转移过程,Egap(HOMO和LUMOs之间的能量迁移),荧光发射可以扩展到NIR IIa/IIb窗口。2018年,Yang等人建造了S−D2−D1−A−D1−D2−S(S,屏蔽单元)支架荧光团IR-FTAP用于NIR IIa荧光成像(1300 nm LP)。然后在2019年,Sun等人开发了FD-1080 J聚集体,最大吸收1360 nm,最大发射1370 nm。在近红外IIb荧光成像(1500 nm LP)中,FD-1080和1,2-二吡啶基-sn-甘油3-磷酸胆碱(DMPC)之间通过自组装形成41个FD-1080 J聚集体。

要克服NIR-II有机荧光团遇到的问题,可以从如下的方面入手:
  • 提高荧光强度
    • 聚集诱导发光
    • 引入具有平面结构的砌块
    • 引入取代基
    • 模仿有机环境
  • 波长红移
    • 刺激TICT状态
    • 合成J-聚集体
    • 探索新型NIR-IIa/IIb分子支架

文章最后,强调了未来临床应用中面临的挑战和展望,旨在推动近红外IIa和近红外IIb成像技术的临床应用进展。

参考文献:
Yishen. Liu. Yang Li. Seyoung Koo. et al. Chem. Rev. 2022, 122, 209−268
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