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梁永晔课题组在近红外二区荧光探针研究取得新进展

发布日期:2018-03-23 09:31:00

近日,我系梁永晔课题组相继在国际知名学术期刊《Journal of the American Chemical Society》(影响因子13.858)、《Nature Communications》(影响因子12.124)和《Advanced Materials》(影响因子19.791)发表研究论文报道课题组在生物成像应用的近红外二区分子荧光探针方向取得的多项新进展。

相对于传统的基于可见光以及近红外一区(NIR-I, 750-900nm)荧光生物成像技术,最近发展的近红外二区(NIR-II,1000nm~1700nm)荧光成像由于发射波长更长,可显著降低光在穿透生物组织中的散射现象以及自荧光效应的影响,使探测深度更深、空间分辨率更高。该技术发展的一个瓶颈是缺少具有高亮度与生物相容性的荧光染料。梁永晔课题组在前期工作中发展了S-D-A-D-S(S,shielding unit,屏蔽单元;D,donor,电子给体单元;A,acceptor,电子受体单元)型荧光分子结构,开发了分子探针IR-E1(Adv. Mater.,2016, 28,6872)和IR-FEP(Adv. Mater., 2017,29,1605497),它们在水中的荧光量子产率分别为0.7 %和2.0%。虽然这在相关材料中已经具有较好的发光性能,但是要实现高效的时间和空间分辨率仍需要更亮的材料。

梁永晔课题组进一步研究了分子给体单元调控对荧光性能的影响(图1)。由于染料发射波长越长越有利于增加穿透深度,于是增加了一个连接S单元的噻吩作为第二给体(D2)。噻吩的引入可以增加分子的共轭长度从而使荧光波长红移,但导致QY下降。进一步对连接受体A的第一给体单元(D1)进行结构调控,首次以辛烷噻吩作为D1。相对应的染料IR-FTAP在水溶液中QY高达5.3%,明显优于其它给体单元。

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图1.给体调控策略。

通过分子动力学模型与密度泛函理论的计算,发现憎水性的辛烷噻吩相较于其它D1单元可以有效减少共轭骨架中心与水分子的作用(图2b,c)。计算结果也进一步证明了水中的QY与骨架中心与水分子的相互作用紧密联系。

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图2.(a)IR-FTAP与IR-FTTP与水分子作用的分子动力学模拟;(b)在分子骨架2 Å上方水分子的作用势能模拟。

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图3. 小鼠下肢血管成像图。

在初步的荧光成像应用中,IR-FTAP的高QY使得它在小鼠下肢血管的高速成像(>25帧/秒)中展示了更好的空间分辨率(图3)。相关结果已发表在《Journal of the American Chemical Society》,题目为“Donor Engineering for NIR-II Molecular Fluorophores with Enhanced Fluorescent Performance”。链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b10334 

基于之前研发的IR-FE在甲苯中的QY(31%)远高于PEG化的IR-FEP在水中的QY(2.0%),梁永晔课题组及其合作者于是尝试将IR-FE包裹到两亲高分子基底中得到高亮度且生物相容的染料。两亲性的PEG嫁接聚苯乙烯(PS-g-PEG)被合成,它可以通过自组装将IR-FE包裹起来,形成p-FE纳米染料(图4)。PS中心具有甲苯溶解IR-FE的微环境从而保持高QY,向外伸展的PEG侧链则可提供水溶性及生物相容性。p-FE在PBS等水溶液中展现了很好的溶解性,平均粒径为12nm。在PBS中p-FE的吸收和发射谱与IR-FE类似,QY测定为16.5%,是目前基于有机材料的近红外二区荧光探针在水溶液中的最高QY值。

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图4. p-FE的形成示意图以及相关的水溶液性质。

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图5. 小鼠脑部血流及其3D共聚焦逐层成像图。 

基于p-FE的高QY,成功实现了曝光时间只需2ms的无创超快小鼠脑部血流的NIR-II成像。p-FE还被应用于NIR-II的3D共聚焦逐层成像,可以解析小鼠脑部细至5-7微米的血管,探测深度达到1.3毫米(图5)。这是目前基于单光子小鼠脑部3D荧光成像的最深探测深度。相关结果已发表在《Nature Communications 》,题目为“A bright organic NIR-II nanofluorophore for three-dimensional imaging into biological tissues ”。链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-03505-4 

梁永晔课题还在IR-FE分子的基础上引入一条PEG链并在其他三条侧链引入羧基得到分子IR-FEPC。IR-FEPC可以高效的与重组人绒毛膜促性腺激素共价连接。斯坦福大学戴宏杰课题组等成功将这一探针应用于卵巢三个阶段的促黄体生成激素受体的特异成像(图3)。相关结果已发表在《Advanced Materials》,题目为“3D NIR‐II Molecular Imaging Distinguishes Targeted Organs with High‐Performance NIR‐II Bioconjugates”。链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705799

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图6. 荧光探针IR-FEPC及其应用于卵巢三个阶段的促黄体生成激素受体的特异成像图。

南方科技大学为前两项工作的第一通讯单位。这些工作的合作者包括斯坦福大学戴宏杰教授组(生物成像)、华东师范大学孙海涛教授组(理论计算)、天津大学张晓东教授组(生物安全性评价)等。工作得到了中组部青年千人计划、深圳市孔雀团队(KQTD20140630160825828)、重点实验室项目(ZDSYS201505291525382)以及技术攻关项目(JSGG20160301095829250)等支持。