近红外二区分子荧光探针的理性设计及成像应用

最近，南方科技大学材料系的梁永晔（点击查看介绍）课题组在近红外二区荧光探针研究方面取得重要进展，他们设计合成了一类高量子产率的分子探针，通过与斯坦福大学戴宏杰教授（点击查看介绍）课题组等合作，深入研究该类荧光分子的理性设计，并成功地将高纯度的染料-抗体荧光探针应用于生物组织的三维染色成像研究。成果相继发表于国际顶级期刊Advanced Materials 和 PNAS 。

荧光成像技术广泛地应用于生物医学研究。相比于常用的可见光以及近红外一区（NIR-I, 750-900 nm）荧光成像技术，近红外二区（NIR-II）由于发射波长（1000-1700 nm）更长，可显著降低在穿透生物组织时的光散射及自荧光效应的影响，使探测深度更深、空间分辨率更高。该技术发展的一个重要瓶颈是缺少具有高亮度与生物相容性的荧光探针。碳纳米管、量子点以及稀土元素纳米粒子等无机纳米材料，由于尺寸较大难以在体内代谢并伴有潜在的生物毒性。2015年底斯坦福大学的戴宏杰课题组与武汉大学的洪学传课题组等在Nature Materials上报道了一种分子荧光探针CH1055（Nat. Mater., 2016, 15, 235）。该分子以苯并双噻二唑（BBTD）作为电子受体（A）以及三苯胺作为电子给体（D）组成D-A-D分子骨架，在侧链上引入羧基并与聚乙二醇（PEG）连接使其具有水溶性。该分子在体内可以通过肾脏排泄，但是它的荧光波长较短（< 1200 nm），量子产率很低（仅为0.2%）。南方科技大学梁永晔课题组与戴宏杰课题组合作提出的以2,6-烷氧基链取代的苯作为电子屏蔽单元、3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）作为电子给体单元提高了荧光分子在水溶液中的量子产率（Adv. Mater., 2016, 28, 6872）。开发的荧光探针IR-E1荧光波长在900 nm到1400 nm之间，在水溶液中量子产率可以达到0.7%，并成功应用于小鼠脑震荡模型的无创体内成像。虽然该量子产率在有机材料中较高，但要达到快速成像并实现更深的穿透深度仍需要亮度更高的荧光探针。

梁永晔及其研究团队深入研究了一类新型的高效荧光分子探针的理性设计。荧光分子由电子屏蔽基团（shielding unit）、给体基团（donor）及受体基团（acceptor）组合，形成S-D-A-D-S型分子(图1a)。目标分子IR-FE以3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)为电子给体（D）、烷基链取代芴为屏蔽基团（S）。理论计算模拟发现EDOT为电子给体时，分子骨架具有比噻吩电子给体分子（IR-FT）更大的扭转角和更加调谐的表面静电电位分布，可有效保护受体苯并双噻二唑，阻止其与溶剂分子或其他分子发生相互作用（图1b）。同时，烷基链取代的芴和分子骨架扭转的共同作用可减弱分子间的相互作用降低聚集导致的非辐射淬灭，IR-FE发射波长为900-1400 nm，在甲苯中的量子产率高达31%（图2a），而噻吩作为电子给体的IR-FT只有19%，用联苯取代屏蔽基团芴的IR-BBE也只有20%。这说明芴屏蔽基团以及EDOT电子给体对于提高荧光量子产率都有贡献。在以聚乙二醇进行水溶性修饰后，使用噻吩为给体分子的IR-FTP在水中荧光非常弱，量子产率仅为0.02%，而IR-FEP的量子产率仍可保持在2%（图2b），这是迄今为止报道的在水相中量子产率最高的水溶性近红外二区有机荧光分子探针。研究发现EDOT是荧光分子在水溶液中保持量子效率的关键因素。研究成果发表在Advanced Materials 上[1]。南方科技大学的访问学者杨晴来以及斯坦福大学的博士生马卓然是论文的共同第一作者。合作单位包括斯坦福大学的戴宏杰教授、华东师范大学的孙海涛教授与天津大学的张晓东教授等。

图1. a) 荧光分子结构图；b) 荧光分子与溶剂分子的相互作用示意图。

图2. a) IR-FE在甲苯中的荧光光谱及量子产率；b) 水溶性分子IR-FEP、IR-BBEP和IR-FTP的荧光光谱及量子产率。

梁永晔课题组进一步合成了具有点击反应功能的荧光分子IR-FGP。该分子以三乙二醇（TEG）修饰的噻吩作为电子给体基团，可以增强荧光分子的溶解性并保持较高的量子产率（1.9%）（图3a）。荧光分子可以通过点击反应与特异性的抗体或蛋白高效结合（图3b）。戴宏杰课题组采用密度梯度离心法（DGU）实现了蛋白与荧光探针结合产物的纯化分离，获得了高纯度的近红外二区（1100 nm）荧光分子与抗体的结合体。在自建的共聚焦荧光显微镜下，实现了近170 μm组织学水平上的脑组织切片三维（3D）染色。另外，与碳纳米管（发射波长1500-1700 nm）和深色红（发射波长600-900 nm）这两种荧光探针结合，他们还实现了同时跨越近红外一区和二区窗口（800-1700 nm）上的多色分子三维层析组织成像（图3c）。该工作发表在PNAS 上[2]。斯坦福大学的博士后朱守俊、南方科技大学的访问学者杨晴来、斯坦福大学的博士后Alexander L. Antaris、博士生岳晶莹与马卓然为论文的共同第一作者。

图3. a) IR-FGP分子结构图；b) IR-FGP与靶向蛋白连接示意图；c) 脑组织的三维层析成像图。