华东理工钱旭红院士、杨有军《自然·通讯》：短波红外纳米丝带染料聚集体及双通道活体成像新进展

近日，华东理工大学药学院钱旭红院士、杨有军教授团队构建了新型短波红外（SWIR）染料聚集体。该研究工作提出了一种晶体结构辅助的J聚集体的理性设计方法，对团队前期报道的ESi5近红外染料母体进行合理分子改造，成功构建一种水溶性好、稳定性好、吸收发射波长长且生物相容的染料聚集体，并成功实现小动物活体水平的双通道荧光/光声双模态成像。相关成果以 “A stable and biocompatible shortwave infrared nanoribbon for dual-channel in vivo imaging”为题发表在Nature Communications（Nature Communications, 16, 4, 2025）上。

图片说明：聚集体的设计思路

短波红外区间（~1000-2000nm）是深层组织高对比度成像、疾病诊断、光动力/光热治疗和荧光手术导航的理想光谱窗口。领域内的短波红外染料由于HOMO-LUMO能级差小，普遍面临稳定性差、在水溶液中荧光淬灭的问题，限制了其在实际临床上的应用。染料J-聚集潜在可以提高染料稳定性的同时实现吸收发射红移的途径。J-聚集体是由染料偶极子间呈滑动堆积排列（滑移角<54.7o）构成的，其光物理性质对于短波红外成像是有利的：吸收和发射波长的红移增加了穿透深度；光谱的锐化适用于多通道成像；消光系数的增加提高成像亮度；高稳定性有利于长时间成像。但J-聚集体的理性构建是领域长期存在的研究难点。

基于此，研究团队以前期基于硅罗丹明开发的共轭延长的高稳定性、高荧光亮度近红外染料二苯并硅罗丹明（ESi5）为基础，提出了一种晶体辅助聚集体合成方法（Crystal-AidedAggregate SyntHesis, CAASH），成功构建了水溶性的短波红外染料聚集体。当阴离子为PF 6-时，ESi5晶体结构中链内的分子呈斜向堆积（V-聚集），链间呈J-聚集排列，因此将其命名为JV-聚集体。基于晶体结构，研究团队进行合理的设计，通过在侧链以叠氮化、Click反应引入带负电荷的磺酸/羧酸根基团，利用亲水（磺酸根基团）/疏水（共轭结构）相互作用实现染料的自组装。该系列染料聚集体具有三个独特吸收峰：其中1038 nm处的红移吸收峰和696 nm处的蓝移吸收峰归属于链内V聚集，1098 nm处的红移吸收峰归属于链间J聚集。最大发射波长位于1106 nm，表明Stokes位移仅8 nm。其在水溶液中的聚集形貌通过透射电镜、冷冻透射电镜、原子力电镜交叉验证为厚度3.4 nm的纳米丝带状结构。并且通过光/化学/热稳定性的测试验证了其具有优异的稳定性，其在水中解聚温度（ a ‍ agg =0.5）超过70 oC，并且解聚后降低至室温又快速重新聚集。

图片说明：ESi5-S聚集体的基本性质

这类短波红外聚集体具有高稳定性、高生物相容性、易制备的特点，因此在生物成像/治疗中具有广泛的应用潜力。ESi5-S聚集体经尾静脉注射，潴留在小鼠全身骨骼、肝脏和脾脏，并经肝胆代谢后解聚为单体，通过808/1064nm激光激发可以实现双通道荧光成像。该成像结果表明聚集体的荧光成像潜力，揭示其活体内代谢途径。此外，ESi5-S聚集体同样是合适的光声成像材料，溶液中的光声测试表明其光声信号强度为同浓度IR-1061的3.5倍。活体内的光声成像实现了对小鼠骨骼的三维重构，可以清晰显示胸骨、肋骨及腰椎，表明其优异的光声成像性能。

图片说明：体内双通道荧光成像与光声成像

该论文的第一通讯单位为华东理工大学，通讯作者为药学院杨有军教授，第一作者为药学院博士研究生姚成。工作得到了钱旭红院士、华东师范大学陈缙泉教授、华东理工大学曲大辉教授、有机所刘聪教授、湖北大学任君教授、上海中医药大学葛广波的大力支持和悉心指导。此外，本研究还得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委以及高校基本科研业务费和生工国重室开放课题的支持。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-55445-x

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！