Nature子刊 | 浙江大学钱骏/香港中文大学唐本忠开发新的荧光小分子，用于高对比度深部病变识别

长波长近红外-II（NIR-II，900-1880 nm）荧光团的有限信号和由漫射光子引起的强背景使得在深部组织受到干扰的体内高对比度荧光成像仍然具有挑战性。

2023年8月18日，浙江大学钱骏及香港中文大学唐本忠共同通讯在Nature Communications 发表题为“Engineered NIR-II fluorophores with ultralong-distance molecular packing for high-contrast deep lesion identification”的研究论文，该研究通过增强供电子能力和减小供体-受体（D-A）距离，开发了具有聚集诱导发射特性、高亮度和超过1200 nm的最大发射的NIR-II荧光小分子，以补充稀缺的明亮长波长发射有机染料。

D-A-D分子结构单晶证据表明π-π堆积的强烈抑制作用，超长分子堆积距离超过8 Å。精心设计的纳米荧光团具有延伸至1900 nm的明亮荧光信号，与背景抑制成像窗口相匹配，使组织图像的信背景比达到100以上，组织厚度为4-6 mm。此外，负染较强的腔内病变几乎可以在零背景下识别。该方法可为未来长波长NIR-II分子设计和深部高散射组织的生物医学成像提供新的途径。

具有特异性标记的荧光生物成像是捕获高对比度生物信息的有效方法。然而，一旦成像信号转移到深部组织中，光学成像的缺点就会浮出水面。散射诱导的成像背景和短波长光激发的不可忽视的自发荧光严重干扰了通过深层组织的信号提取。与荧光成像的经典光谱范围（低于900 nm）相比，第二个近红外（NIR-II，900-1880 nm）窗口具有中等的光吸收，较少的光子散射和最小的组织自发荧光，为体内深层信号的高保真检测提供了潜在的机会。凭借NIR-II的深度渗透，成功地勾勒出血管、淋巴、肿瘤等轮廓。进一步加强这些深层细节的成像对比度仍然充满挑战，这需要（1）改进可检测的NIR-II信号和（2）持续抑制背景干扰。

对信号改善的需求推动了多样化发光团的发展。其中，有机荧光团通常具有良好的生物相容性，有效地促进了生物医学应用。高性能荧光团通常被设计为充满分子转子的扭曲结构，以抑制聚集状态下不希望的分子间π-π相互作用。基于这一原理，成功实现了一系列吸收峰和发射峰分别在700和1000 nm左右的高亮度NIR-II分子。然而，具有更长光谱响应和更强发射强度的NIR-II染料仍然难以获得，迄今为止很少有扭曲结构的罕见直接证据。

另一方面，为了抑制成像背景，NIR-II成像窗口从900/1000 nm长通区域延长到1500 nm长程区域。然而，抑制光子散射主要被认为是背景下降的原因，其中组织中的光吸收没有得到充分利用。除了减少光子散射外，上升的光吸收还可以有效地抵抗组织中的散射干扰;活体NIR-II荧光成像的对比度可以因此得到改善。最近的研究表明，具有中等光吸收的NIR-IIx区域（1400-1500 nm）被提升为一个具有最小背景的高潜力成像窗口，但随着吸收衰减的加剧，对发光团提出了更严格的要求。

由于这些原因，为了以更高的对比度进行深度生物成像，明亮发射器和背景抑制成像窗口之间的匹配是必要的，用于更高性能的NIR-II荧光成像。在这项工作中，研究者提出了一种面向长波长NIR-II发射器的供体工程分子设计策略，并实现了高对比度NIR-IIx + NIR-IIb（1400-1700nm）深层组织成像。为了提高荧光团的亮度，从而增强成像信号，基于“骨架畸变和分子转子”的指导方针，通过减少D-A距离来增强供体-受体（D-A）相互作用。经过合理编程，由苯并[1,2-c:4,5-c ']双[1,2,5]噻二唑(BBTD)合成的2FT-oCB分子在1400 nm以外表现出强发射，在829 nm处出现吸收峰，在1215 nm处出现发射峰。

化合物的表征（图源自Nature Communications ）

单晶结构分析表明，具有强烈的扭转和超过8 Å的超长分子堆积距离，可以有效地避免π-π堆积。给出了具有长波长响应的bbtd核心高扭曲染料的x射线晶体学的直接证据。纳米沉淀后，溶剂从天然水(氧化氢)转移到重水(氧化氘)，最终恢复明亮的NIR-II发射，并将其扩展到1900 nm。为了获得更高的对比度，在深部器官成像中额外采集了NIR-IIx区域的尾迹发射，进一步抑制了成像背景。与传统的超过1500 nm (NIR-IIb窗口)仅考虑衰减的光子散射不同，NIR-IIx + NIR-IIb窗口中上升的光吸收可以减弱散射光子的干扰。在不开腹的情况下，4 ~ 6 mm深度处的生物结构最终sbr可达100以上。综上所述，这项工作成功地解开了敏感的深部组织解密使用工程的D-A-D荧光团，在最佳光谱窗口发射强信号的弱成像背景。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40728-6

转自：“iNature”微信公众号

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