本文要點：本文報道了一系列基于芳烴的NIR-II熒光染料（稱為cyazulenes），通過環(huán)烯烴調(diào)整光譜特性用于成像。通過將環(huán)烯烴與芳烴衍生物簡易偶聯(lián)來構(gòu)建這些芳烴基熒光染料（CA965、CA985和CA1025），并展現(xiàn)出不同的H-聚集和J-聚集。特別值得注意的是，CA985能夠在生物介質(zhì)中形成顯著的J-聚集體，具有強而尖銳的NIR-II發(fā)射，可用于小鼠體內(nèi)血管和淋巴管的精細結(jié)構(gòu)成像。此外，CA985顯示出被動骨靶向能力，實現(xiàn)骨成像。本研究揭示了不同環(huán)烯烴對芳烴基熒光染料聚集體形成和光譜特性的影響，將推動基于芳烴的NIR-II熒光染料的發(fā)展。

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圖1. 芳烴基熒光染料（CA965、CA985和CA1025）的合成及其光譜性質(zhì)

本文假設(shè)將兩個芳烴單元與不同大小的環(huán)烯烴耦合，產(chǎn)物將因增強的π共軛聚甲基特性而發(fā)射NIR-II熒光，同時具備多樣化的光譜特性。利用芳烴的5元環(huán)電負(fù)性，使其與醛縮合可生成大共軛體系。通過芳烴與環(huán)酮衍生的醛便捷縮合，合成了π共軛擴展的芳烴基染料（cyazulenes，圖1A）。

不同環(huán)烯烴的cyazulenes展現(xiàn)出可調(diào)控的光物理特性。cyazulenes在有機溶劑中展現(xiàn)出NIR-II吸收（909–933 nm）和較強的熒光（945–1025 nm；Φ = 0.01–0.12%）。隨著環(huán)烯烴碳原子數(shù)增加，這些cyazulenes在CHCl3中的吸收峰小幅藍移，但發(fā)射峰顯著紅移；CA965、CA985和CA1025的吸收和發(fā)射峰半高寬分別為57和74 nm、79和131 nm、100和171 nm（圖1B,C），表明隨著環(huán)烯烴碳原子數(shù)增加，峰寬逐漸變寬。如圖1D–F所示，cyazulenes產(chǎn)生規(guī)則的單吸收，CA965的熒光大幅減弱，并出現(xiàn)752 nm的藍移吸收峰，這是典型H聚集的特征，同時CA965的熒光幾乎不可見。在相同條件下，CA985和CA1025類似地產(chǎn)生藍移吸收峰（表明H聚集形成），但同時在1162和1145 nm處觀察到紅移吸收峰，明顯表明CA985和CA1025也可形成顯著的J聚集。此外，CA985和CA1025在≈1170 nm處展現(xiàn)出典型紅移且尖銳的熒光峰，進一步證實了J聚集的形成，體內(nèi)成像應(yīng)用極為有利。

圖2. CA985聚集行為研究

盡管未能獲得CA965和CA1025單晶，但成功制備了CA985單晶。單晶的俯視與側(cè)視結(jié)構(gòu)（圖2B）顯示，三個CA985分子以螺旋方式堆疊形成近中心對稱的三角形，此堆積模式既不遵循J-聚集體的特征，也不符合H-聚集體的典型規(guī)律。通過對比CA985單晶及其粉末（通過CH?Cl?溶解單晶后揮發(fā)溶劑制備）的吸收與發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)兩者吸收光譜差異較小，但粉末在1180 nm處表現(xiàn)出比晶體更尖銳的熒光發(fā)射峰（1340 nm處伴隨肩峰；圖2C）。該粉末的1180 nm熒光特性與CA985在PBS中形成的J-聚集體相似，其尖銳發(fā)射特性有利于多色成像應(yīng)用。

圖3. CA985 NPs小鼠淋巴系統(tǒng)、血管和脛骨的NIR-II體內(nèi)成像

為提高CA985的體內(nèi)成像效能，采用DSPE-PEG2000作為載體材料制備納米顆粒（NPs）。CA985在該NPs中仍可形成具有顯著熒光的J-聚集體（J-aggregates），其粒徑≈33 nm。通過足墊注射CA985-NPs進行小鼠淋巴結(jié)成像，結(jié)果顯示?N淋巴結(jié)可清晰顯影（信背比達28.5），且高倍圖像中可觀察到淋巴系統(tǒng)的四組淋巴瓣膜結(jié)構(gòu)（圖3A中白色箭頭標(biāo)記）。四組淋巴瓣膜的熒光強度分布顯示平均半峰寬（FWHM）≈0.3 mm（圖3B），為淋巴瓣膜尺寸研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過靜脈注射CA985-NPs進行小鼠血管成像，注射5分鐘后全身血管（包括左右頸靜脈）可清晰成像（平均FWHM≈0.6 mm，圖3C-D）。隨時間推移，CA985逐漸在肝脾富集，但50分鐘后頸靜脈仍可見信號。值得注意的是，股血管熒光強度下降而脛骨熒光增強（圖3E-F），提示CA985可能具有骨成像潛力。

圖4. CA985 NPs小鼠的離體和體內(nèi)骨成像

進一步研究顯示，CA985-NPs在小鼠骨骼系統(tǒng)中呈現(xiàn)特異性富集：注射12小時后，脛骨、胸骨及椎骨等部位熒光信號達到峰值。解剖實驗表明，尾靜脈注射CA985-NPs 12小時后，離體骨骼（尤其是富含骨髓的椎骨）仍保留顯著熒光（圖4A）；骨髓沖洗后骨組織熒光大幅減弱，而收集的骨髓顯示強熒光信號（圖4B）。對比實驗證實，CA985的骨靶向特性與載體材料類型無關(guān)，而可能與其分子結(jié)構(gòu)中?環(huán)基團相關(guān)。活體及離體成像顯示，CA985-NPs可實現(xiàn)小鼠胸骨、脛骨及足骨的高分辨成像（圖4C），且兩種模式下骨骼結(jié)構(gòu)的FWHM具有良好一致性（圖4D-I）。該特性使其成為研究骨骼疾病（如骨質(zhì)疏松）的理想工具，為骨代謝異常等病理過程的在體監(jiān)測提供了新策略。

圖5. NIR-II多色熒光成像。通過CA965/CA985 NPs在950 nm BP濾光片下對小鼠腿部血管進行多色成像

相較于單色成像，多色活體成像可顯著提升信息密度。利用950 nm帶通（BP，925–975 nm）與1150 nm長通（LP）濾光片的光譜拆分特性，CA965-NPs與CA985-NPs可實現(xiàn)雙色成像，成功應(yīng)用于小鼠左右腿?N淋巴結(jié)的同步顯影。為進一步提升成像可靠性，研究團隊通過DSPE-PEG2000載體共載CA985與CA965制備CA965/CA985-NPs，利用比率熒光測量技術(shù)消除外部干擾因素影響。在小鼠腿部血管比率成像實驗中，950 nm BP（紅光通道）與1150 nm LP（綠光通道）雖均可顯示血管輪廓，但難以區(qū)分動靜脈（圖5A）。通過比率成像處理（圖5a5），背景噪聲顯著降低，血管半峰寬（FWHM）由≈0.26 mm優(yōu)化至0.20 mm（圖5B），實現(xiàn)動靜脈的清晰分辨。此外，比率信號從左至右的梯度變化（圖5a5）精確反映了血管距皮膚表面的深度遞減趨勢，該特征在單色成像中較難獲取。

總結(jié)而言，本文提出了一種通過調(diào)節(jié)環(huán)烯烴來合成系列近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光團（CA965、CA985和CA1025）的策略，這些熒光團具有不同的聚集行為和特殊分析功能，適用于成像應(yīng)用。研究表明，次甲基鏈中環(huán)烯烴碳原子數(shù)的可調(diào)節(jié)性使這些熒光團表現(xiàn)出不同的H-聚集和J-聚集行為；增加碳原子數(shù)會導(dǎo)致熒光團單體形式的吸收藍移和熒光紅移，這與經(jīng)典花菁染料的行為不同。CA985尤為獨特，因其J-聚集體在PBS生物介質(zhì)中具有強而尖銳的NIR-II發(fā)射。此外，本文證明了CA985可用于小鼠血管、淋巴收集管精細結(jié)構(gòu)甚至骨骼的活體成像。所開發(fā)的cyazulenes類（尤其是具有被動骨靶向功能的CA985）的新化學(xué)特性將推動NIR-II熒光團的發(fā)展，促進多樣化的成像應(yīng)用。

 

參考文獻

Gao W, Liu D, Li H, et al. NIR?\II Cyazulene Fluorophores with Adjustable Cycloalkenes and SpectroscoPIc Properties for Imaging Applications[J]. Advanced Healthcare Materials, 2025: 2404996.

 

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