復旦大學張凡團隊JACS： J-聚集體用于1500 nm以上近紅外第二窗口的生物動態血管熒光成像

【背景介紹】

精準的生物醫學成像方法對疾病的診斷和預后至關重要。其中，熒光成像具有較高的靈敏度、分辨率和快速反饋等優勢。近年來，研究發現了近紅外第二窗口內的光子對生物組織具有較高的穿透深度和信噪比；尤其位于1500-1700 nm范圍內的光子，生物組織在此范圍內具有更低的散射，吸收和自發熒光。因此，位于1500-1700 nm范圍內的生物熒光成像研究顯示出了巨大的潛力，這激發了一系列探針的發展，包括稀土納米顆粒、單壁碳納米管、和量子點等。然而由于上述無機納米材料潛在的生物毒性，近年來具有相對分子量較小以及易于代謝特性的近紅外二區有機探針引起了廣泛的關注。然而目前有機熒光染料僅通過結構修飾很難實現最大吸收波長和發射波長的紅移。尤其對于最大吸收和發射波長位于1300 nm以上的有機分子的設計合成。因此，急需開發一種簡單有效的制備方法來延長有機熒光染料的最大吸收和發射波長，并用于生物活體成像。

【成果簡介】

針對上述問題，復旦大學的張凡教授（通訊作者）團隊報道了一種新型的NIR-II探針--花菁染料FD-1080 J-聚集體，它是基于花菁染料FD-1080和1, 2-二肉豆蔻酰基-sn-甘油-3-磷酸膽堿（DMPC）的自組裝而形成的J-聚集體，其最大吸收和發射波長均超過1300 nm。J-聚集在生理條件下顯示出較高的親水性和穩定性。通過分子動力學模擬證明了磷脂DMPC與花菁染料FD-1080在J-聚集體形成過程中的相互作用。同時，相對于短波長區域內的熒光成像，位于1500 nm以上的熒光成像具有最高的成像效果，包括分辨率，信噪比。此外，研究人員證明了利用J-聚集體可以監測臨床使用的Isoket降壓藥給藥后高血壓大鼠頸動脈血管的動態變化過程用于評價降壓效果。該研究成果近日以“J-Aggregates of Cyanine Dye for NIR-II in Vivo Dynamic Vascular Imaging beyond 1500 nm”為題發表在著名期刊J. Am. Chem. Soc.上，張凡教授課題組的博士生孫彩俠和李本浩為論文的共同第一作者。

【圖文解讀】

圖一、花菁染料FD-1080單體及其 J-聚集體的性能測試
（a）FD-1080和DMPC的分子結構式；

（b）FD-1080單體和J-聚集體的歸一化吸收和發射波長；

（c）FD-1080單體和J-聚集體的圓二色譜圖；

（d）FD-1080單體和J-聚集體的熒光衰減曲線；

（e）FD-1080 J-聚集體的TEM圖像、分子動力學模擬和J-聚集體示意圖。

圖二、分子動力學模擬
（a）DMPC存在下FD-1080的分子動力學模擬的側視圖；

（b）DMPC存在下FD-1080的分子動力學模擬的俯視圖；

（c）形成J-聚集體的示意圖；

（d）純水中FD-1080的分子動力學模擬的側視圖。

圖三、FD-1080 J-聚集體的體外熒光性能測試
（a）J-聚集體在不同深度的1%脂肪乳劑內的熒光圖像；

（b）不同成像窗口穿透深度下J-聚集體的FWHM；

（c）通過不同區域的J-聚集獲得大腦和后肢血管的圖像；

（d-e）大腦和后肢熒光強度分布（實線）和高斯擬合（虛線）血管的紅色虛線。

圖四、FD-1080 J-聚集體的體內熒光成像
（a）動態血管成像的示意圖；

（b）注射降壓藥Isoket后，頸動脈的血管隨時間的變化；

（c）注射降壓藥Isoket后，頸動脈FWHM與時間的關系；

（d）注射降壓藥Isoket后，頸動脈收縮壓（SBP）與時間的關系。

【小結】

綜上所述，作者利用生物相容性的DMPC磷脂和花菁染料FD-1080組裝并發生J-聚集以形成新型的近紅外二區熒光探針，其可以在1500 nm以上的近紅外二區窗口進行體內生物成像。同時，利用分子動力學模擬表明了磷脂DMPC與花菁染料FD-1080在J-聚集形成過程中的相互作用。FD-1080 J-聚集體探針可確保在近紅外二區中以更高的信噪比和空間分辨率進行生物成像，也可以監測患有高血壓大鼠服用降壓藥后降壓過程中的動態血管變化。總之，該研究為制備近紅外二區有機染料探針制備提供了一條新穎的途徑，并且該途徑可擴展到其他近紅外分子染料J-聚集體的制備以在更長的波長下實現優異的生物成像。

文獻鏈接：J-Aggregates of Cyanine Dye for NIR-II in Vivo Dynamic Vascular Imaging beyond 1500 nm（J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI:10.1021/jacs.9b10043）

通訊作者簡介

張凡，復旦大學化學系、復旦大學先進材料研究院教授，博士生導師。國家杰出青年科學基金獲得者。張凡教授主要從事稀土發光材料和有機熒光分子探針的設計合成、光學物理性質以及生物醫學診斷分析的研究工作。發表SCI論文100余篇，多篇以通訊作者發表在Nat. Nanotechnol，Nat. Commun，J. Am. Chem.Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等化學、材料以及生物醫學相關國際一流期刊上，引用超過10000次，H index 50。19篇論文入選ESI高被引論文，2018年入選科睿唯安全球高被引學者。撰寫出版英文專著2部（英國皇家化學會出版社和德國Springer-Nature出版社）。獲得教育部自然科學一等獎、侯德榜化工科技獎、上海市科技進步獎等獎、上海市青年英才科技獎等榮譽。同時擔任國際期刊Frontiers in Chemistry (Nanoscience Section)執行主編，Particle & Particle systems characterization國際期刊學術期刊編委。

課題組主頁：http://nanobiolab.fudan.edu.cn/

張凡教授課題組近期在近紅外二區成像領域取得了一系列重要進展：

張凡課題組近紅外二區近期相關文獻：

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本文由CQR編譯。

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