復旦大學張凡教授：新型NIR-II有機小分子染料用于動物血流動態成像

【研究背景】

維持血液循環系統于良好的工作狀態，是生物機體得以生存的基本條件，因此對血液循環系統進行實時監控具有重要意義。在血流監控過程中，不僅需要在單個時間點進行的靜態成像，更需要對其實現實時無創的動態監控。在血管監控過程中，不僅需要在單個時間點進行的靜態成像，更需要對其實現實時無創的動態監控。與傳統的近紅外窗口（780-900 nm）相比，近紅外二區（NIR-II; 1000-1700 nm）光學生物熒光成像技術可實現更高的信噪比和生物組織穿透深度。而有機分子探針因為具有相對分子量較小，易于代謝，生物毒性低等優勢，對于未來的生物醫用轉化具有更大的潛力。目前雖然有機NIR-II熒光探針已經被廣泛報道用于活體成像，然而由于其血液循環半衰期較短（約5-60分鐘），無法實現動態生理過程的連續監測。

【成果簡介】

近日，復旦大學化學系張凡教授團隊以2-苯基吲哚等為原料，通過兩步反應可高產率（90%）合成最大吸收和發射波長均大于1000 nm的水溶性近紅外成像探針LZ-1105。該分子內芳香母核上扭轉的吲哚環提供了較大的空間位阻，端基上含有的四個磺酸根基團進一步賦予了LZ-1105較高的水溶性。同時，該團隊利用密度泛函理論解釋了LZ-1105有機小分子的電子特性和類似化合物LZ系列分子的光譜差異及規律，為NIR-II有機小分子探針的設計與合成提供了思路。動物實驗結果表明，LZ-1105與血液中的纖維蛋白原特異性結合形成復合物，增強了熒光量子產率（1.46%）。同時，該分子具有較長的血液循環時間（半衰期為3.2小時）。在1064 nm激光器激發下，LZ-1105可對小鼠腦部、腿部血管和腘窩淋巴管進行高穿透深度、高分辨率、高信噪比的靜態NIR-II熒光成像。此外，由于其具有較長的血液半衰期，LZ-1105被進一步應用于小鼠下肢血管缺血再灌注，頸動脈血栓溶栓過程以及血腦屏障開啟和關閉過程等生理變化的實時動態監控，并對此類血管相關疾病的血流速度進行定量分析。這為后續血管類疾病的實時監控與個性化治療打下了堅實的基礎。研究成果以“Organic NIR-II Molecule with Long Blood Half-Life for In Vivo Dynamic Vascular Imaging”發表在知名期刊Nature Communications上，張凡教授為該論文通訊作者，已畢業博士生李本浩和博士生趙夢瑤為論文共同第一作者。該工作得到了復旦大學化學系、復旦大學先進材料實驗室、聚合物分子工程國家重點實驗室、上海市分子催化與功能材料重點實驗室、國家重大研究計劃項目、國家自然科學基金杰出青年基金、上海市科學技術委員會重點基礎研究項目的大力支持。同時，該課題得到了上海交通大學附屬第六人民醫院的大力幫助。

【圖文導讀】

圖一、LZ-1105的光學特性及其與ICG體內近紅外成像的對比

（a）LZ-1105的合成路線。

（b）LZ-1105在PBS中的歸一化吸收和熒光強度。插圖：LZ-1105（10?μM）在PBS中的NIR-II熒光圖像。

（c）LZ-1105和ICG在1064?nm和808?nm激光激發下的熒光強度。插圖：小鼠血液中LZ-1105和ICG的NIR-II熒光圖像。

（d-e）（d）、LZ-1105和ICG的NIR-II圖像、歸一化信號強度和半峰寬對比。

（f-j）用LZ-1105或ICG注射裸鼠（腦）和脫毛ICR小鼠（n?=?3）（淋巴系統和后肢）腦（f）、后肢（h）和淋巴系統（j）的無創NIR-II熒光圖像。

（g-k）沿腦（f）、后肢（h）和淋巴系統（j）紅色虛線的熒光強度分布（點）和高斯擬合（線）。

圖二、LZ-1105和ICG的藥代動力學和血液滯留

（a-c）靜脈注射LZ-1105和ICG后，小鼠身體（a）、大腦（b）和后肢（c）的不同時間NIR-II成像。

（d）LZ-1105和ICG給藥小鼠在（b）和（c）的黃藍虛線處的相應信號背景比（SBR）隨時間變化。

（e）LZ-1105和ICG給藥小鼠的血液循環（%ID g^?1）隨時間變化。

（f）LZ-1105小鼠24小時內尿累積排泄曲線。

（g）LZ-1105和ICG在不同激發和長通濾波器下的NIR-II信號強度。

（h）用20 ^oC恒溫滴定量熱法（ITC）測定了LZ-1105和ICG與牛血清白蛋白（BSA）和牛纖維蛋白原的結合參數。

圖三、后肢缺血再灌注的實時NIR-II成像

（a）缺血再灌注過程示意圖。

（b）如圖所示，在不同時間點用LZ-1105進行缺血再灌注的NIR-II生物成像。

（c）分別在被夾住1、4、8和12?h后，作為時間函數的前、中和結束位置處的血流所經過的相應距離。

圖四、頸動脈溶栓過程的實時NIR-II成像

（a）溶栓過程的示意圖。

（b）LZ-1105在重組組織纖溶酶原激活劑（rt-PA）注射的不同時間點對頸動脈進行NIR-II生物成像。

（c）在溶栓過程中恢復血流量與時間的函數關系。

圖五、實時無創NIR-II成像監測血腦屏障的開啟和關閉

（a）用于監測BBB開啟和恢復的NIR-II成像設置的示意圖。

（b）不同時間點（n?=?3）聚焦超聲（FUS）和微泡處理前后小鼠腦的NIR-II圖像。

（c-d）綠色和紫色圓圈對應的歸一化平均信號強度隨時間的變化。

圖六、LZ染料的密度泛函理論計算

（a）LZ染料的化學結構。

（b）根據LZ染料的優化S1幾何結構，繪制了HOMO和LUMO圖。

（c）LZ染料基態幾何構型的優化。

【結論展望】

總之，這項工作描述了一種小分子有機LZ-1105，以實現快速、無創、高分辨率和實時的血管動力學成像。LZ-1105具有長時間的血液循環和NIR-II窗口的激發和發射，可用于動態血管過程的靜態或持續成像，包括后肢缺血再灌注、頸動脈溶栓和小鼠BBB的暫時開啟和恢復。該方法可用于動態發現和監測更多的血管相關現象，為小動物血管相關疾病的發病機制提供新的研究手段。

文獻鏈接：Organic NIR-II molecule with long blood half-life for in vivo dynamic vascular imaging ( Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-16924-z)

課題組簡介：

張凡，教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者、中組部青年拔尖人才。2008年獲復旦大學化學系理學博士學位（導師：趙東元院士）。2008-2010年美國加州大學圣塔芭芭拉分校化學與生物化學系博士后（導師：Galen Stucky院士）。2010年8月通過復旦大學人才引進計劃任化學系副研究員、博士生導師，2012年協調成立復旦-陶氏化學聯合研究中心，任研究中心副主任，2013年底開始任化學系教授。

張凡教授主要從事于稀土近紅外熒光納米探針和有機分子探針的設計合成以及生物醫學診斷分析。發表SCI論文100余篇，多篇發表在Nat. Nanotechnol (1篇)，Nat. Commun（5篇），J. Am. Chem.Soc.（8篇），Angew. Chem. Int. Ed.（12篇），Adv. Mater. (6篇），Nano. Lett. (5篇）等生物化學相關國際一流期刊上發表了一系列有影響的研究論文，引用超過13000次，H index 62。22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)（影響因子4.312）執行主編，Particle & Particle systems characterization 國際期刊學術期刊編委 （影響因子4.384）。

課題組主頁：http://nanobiolab.fudan.edu.cn/

本文由大兵哥供稿。

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