Nat. Chem.：短波近红外吸收和发射的荧光团应用于活体荧光成像

导读

近日，密西西比大学Jared H. Delcamp与加州大学洛杉矶分校Ellen M. Sletten研究人员在近红外Silicon-RosIndolizine染料的设计合成与应用方面取得新进展，相关研究成果以“Silicon-RosIndolizine fluorophores with shortwave infrared absorption and emission profiles enable in vivo fluorescence imaging”为题发表在Nature Chemistry上。本文中设计合成的一系列Silicon-RosIndolizine（SiRos）染料的发射峰值位于1300-1700 nm。作者对SiRos荧光团进行了光物理、电化学性质和时间相关密度泛函理论计算等表征。此外，作者将SiRos1300和SiRos1550染料制备为纳米制剂并将其用于小鼠的活体荧光成像，所得到的短波近红外（SWIR, 1000-1700 nm）图像中可清晰分辨整个循环系统的血管分布情况。文章链接DOI: 10.1038/s41557-024-01464-6。

正文

生物医学成像是研究生命内部结构和疾病诊断的重要可视化手段。目前，近红外荧光成像广泛用于临床前体内成像研究，而短波红外（SWIR，1000-1700 nm）窗口具有更高的组织穿透性和分辨率，彰显了巨大的临床应用潜力。许多SWIR发射的染料被开发应用于生物医学成像领域，包括美国FDA批准的吲哚菁绿和相关的有机染料，以及量子点、碳纳米管和稀土掺杂纳米颗粒等。其中，PbS量子点的发射峰值超过1400 nm，但是潜在的生物毒性限制其进一步的体内成像应用。然而，目前关于有机分子实现1400 nm发射的研究却鲜有报道。虽然有机荧光团种类繁多、生物相容性好且光学性能可调，但是所报道的有机分子的吸收和发射大多位于近红外区域（700-1000 nm）。最近，研究者利用氧杂蒽类型的分子如荧光素和罗丹明与吲哚杂环结构结合以取代烷基胺供体的方法，所合成分子的最大吸收峰红移至SWIR区域（1092 nm）。此外，通过将氧杂蒽结构中的氧替换为硅原子也可实现分子的发射峰红移（Fig.1）。本文中，作者将硅基取代的氧杂蒽内核和DMA修饰的indolizine给体结合，所合成染料的吸收发射波长发生明显红移。相较于现有报道的染料，利用该方法制备的小分子荧光团的发射波长红移至1700-2700 nm的范围内（Fig. 1）。下载化学加APP到你手机，收获更多商业合作机会。

Fig.1氧杂蒽和硅取代氧杂蒽染料的发射峰值

（图片来源：Nat. Chem.）

SiRos荧光团的合成路线如Fig.2所示。醇1按照先前报道由2-溴-4-氯-1-碘苯和2-溴-4-氯苯甲醛合成；随后将1用BF3/SiEt3H脱氧，得到二芳基甲烷2，收率99%。当与二氯双(2-乙基已基)硅烷反应时，用2进行双溴-锂交换，形成环化硅烷中间体。该粗中间体用KMnO4氧化，得到酮产物3，总产率为37%。2-乙基己基取代基的引入可以1）降低合成难度以“轻松”地在骨架上修饰增溶基团；2）增加分子的“位阻”以减少聚集淬灭；3）减缓亲核基团的进攻。使用芳基氯3和钯催化剂对中氮茚供体基团4-6进行C-H活化，生成硅取代的蒽酮7-9，产率46-88%。最终可通过一锅法合成得到染料SiRos1300,SiRos1550和SiRos1700。

Fig.2SiRos1300, SiRos1550和SiRos1700的全合成路线

（图片来源：Nat. Chem.）

光学性质表征数据说明SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700在二氯甲烷溶液中的吸收峰最大值分别位于1140 nm、1348 nm和1440 nm处（Fig. 3）。将氧杂蒽结构中的氧替换为硅原子后，SiRos1300吸收波长相较于tolRosIndz的波长红移了210 nm。此外，SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700在二氯甲烷溶液中的摩尔消光系数分别是122000 M-1 cm-1, 115000 M-1 cm-1和98000 M-1 cm-1。当溶剂为乙腈时，三种染料的摩尔消光系数降低了一半。随着溶剂极性的增加，分子中伴随着π → π* 到 n → π*的电荷转移过程。同时，SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700在二氯甲烷溶液中的发射峰值分别位于1300 nm，1557 nm和1700 nm处，荧光量子产率分别为0.0056 ± 0.0007%，0.0025 ± 0.0003%和0.0011 ± 0.0003%。SiRos1300的寿命为20 ps，SiRos1700的寿命最长为47 ps，也可反映出是由非辐射跃迁过程衰减速率的增加导致。

Fig.3 SiRos1300, SiRos1550 和 SiRos1700的吸收/发射光谱

（图片来源：Nat. Chem.）

接下来，作者对SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700进行了时间相关密度泛函理论计算（Fig.4），染料的吸收峰值的大小趋势与实验数据相符（SiRos1300<SiRos1550<SiRos1700）。HOMO轨道中的电子云主要分布在吲哚和DMA给体，LUMO轨道显示电子云主要分布在发色团部分，由此可观察到分子的电荷转移性质。此外，SiRos1550和SiRos1700具有更高的能级跃迁（>0.1）：SiRos1300（675 nm），SiRos1550（917 nm）和SiRos1700（648 nm），与实验结果相符。此外，作者还研究了乙腈溶液中SiRos1300对亲核试剂的稳定性。实验数据说明SiRos1300在水系环境中是稳定的，不易受亲核试剂的进攻。

Fig.4SiRos荧光团的前线分子轨道分析

（图片来源：Nat. Chem.）

最后，作者采用菜籽油和表面活性剂Pluronic F-68制备了染料的纳米制剂（Fig.5a）。纳米制剂的动态光散射数据说明SiRos1300和SiRos1550的水合粒径分别为260 nm和194 nm，多分散性指数分别为0.44和0.27。同时，SiRos1300和SiRos1550纳米制剂的吸收光谱与其在有机溶剂中的光谱行为类似。在相同成像条件下，SiRos1300纳米制剂的亮度是SiRos1550的两倍（Fig.5b）。SiRos1300和SiRos1550纳米制剂在SWIR成像中都表现出高分辨率（Fig.5c，d）。在对小鼠进行尾静脉注射后，小鼠腹部、颈静脉和股动脉中的血管清晰可见。基于以上优势，SiRos1300，SiRos1550和SiRos1700有望实现1）1400-1600 nm区域内的高对比度成像；2）更高的穿透深度和3）复合成像。此外，SiRos荧光团的SWIR性质有利于其实现多通道激发和采集的多色生物成像。

Fig.5SiRos荧光团纳米制剂的制备和静脉注射后的活体成像

（图片来源：Nat. Chem.）

总结

密西西比大学Jared H. Delcamp与加州大学洛杉矶分校Ellen M. Sletten研究人员设计合成了系列SiRos荧光团并对其进行了光物理性质表征。SiRos1300,SiRos1550和SiRos1700在二氯甲烷中的发射峰值分别位于1300 nm，1557 nm 和1700 nm，对应的荧光量子产率分别是0.0056%，0.0025%和0.0011%。其中，三种染料SiRos1700，SiRos1550和SiRos1300寿命的不同来源于光学带宽的差异。前线轨道理论计算数据表明在以上染料中具有电荷转移性质，存在溶剂化现象。体内SWIR成像结果证实SiRos1300和SiRos1550的纳米制剂可实现对小鼠尾静脉注射后的高分辨率血管成像。该工作为SWIR染料的设计合成提供了指导，并为发展水溶性、高亮度的SWIR染料带来了启发。

文献详情：

William E. Meador, Eric Y. Lin, Irene Lim, Hannah C. Friedman, David Ndaleh, Abdul K. Shaik, Nathan I. Hammer, Boqian Yang, Justin R. Caram, Ellen M. Sletten * & Jared H. Delcamp *. Silicon-RosIndolizine fluorophores with shortwave infrared absorption and emission profiles enable in vivo fluorescence imaging. Nat. Chem.2024, https://doi.org/10.1038/s41557-024-01464-6

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