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Nat. Commun.
《Nat. Commun.》（IF = 14.7）近日发表了华东理工大学杨有军教授的最新研究成果，文章标题为“A stable and biocompatible shortwave infrared nanoribbon for dual-channel in vivo imaging”。这篇文献采用晶体辅助聚集体合成（CAASH）方法，以双苯并环硅罗丹明（Esi5）为支架，设计并合成水溶性的短波红外（SWIR）J-聚集体，通过改变 Esi5 的晶体结构，实现从单体到聚集体的转变，并通过引入亲水性链段增强其在水中的聚集倾向，随后通过双通道荧光成像和光声成像，验证聚集体在体内成像中的应用效果。通过这种研究，能够实现更深入组织的成像、更清晰的图像对比度以及更安全的临床应用，从而为疾病的早期发现、精准治疗和疗效评估提供更有力的技术支持。
文章重点
短波红外区域（1000 nm及更长波长）因为它具有更好的组织穿透能力和更低的光毒性，从而被认为是下一代生物成像的理想光谱窗口。这一区域的成像技术对于深组织和高对比度的体内成像、疾病诊断、光疗和手术导航等领域具有重要意义。尽管已有多种 SWIR 活性材料被报道并应用于不同领域，但这些材料都存在一些限制。无机 SWIR 材料含有重金属，其长期毒性尚未得到系统评估；有机染料虽通常具有良好的生物相容性，但 SWIR 吸收有机染料自身面临诸多挑战，如共轭主链易被内源性/光诱导氧化或普遍存在的亲核试剂破坏，导致其热力学不稳定，限制了它们在实际和临床应用中的潜力。所以开发稳定且生物相容的 SWIR 材料对于提升生物成像技术在疾病诊断、治疗监测和手术导航等生物医学领域的应用效果至关重要。
图1. ESi5 在晶体中的分子堆积及其 JV-聚集体的设计。
该文献在 ESi5 染料的基础上，巧妙地将分子两端的氯原子替换为叠氮基团，随后通过点击化学反应引入磺酸根。这一系列精妙的化学修饰，使得所得分子在水环境中能够迅速（于秒级时间尺度）自发聚集，形成具有独特三峰吸收光谱的聚集体。借助吸收光谱分析、单体分子的晶体结构解析以及原子力显微镜（AFM）的高分辨率成像等多维度表征手段，研究人员揭示了这种聚集体新颖的组装方式：分子链内部呈现出斜向聚集（V-聚集）的构型，而不同分子链之间则展现出典型的 J-聚集特征，因此将这类聚集体命名为 JV-聚集体。随后系统性的评估了所合成聚集体的光物理性质、稳定性、生物相容性以及在体内成像中的应用潜力，ESi5-S 聚集体在体内双通道荧光成像和光声成像中表现出优异的成像效果，能够实现高对比度的骨骼成像和肝脏分布监测，为生物成像和治疗提供了新的工具。
图2. 活体小鼠体内双通道荧光成像。
通过尾静脉注射了 ESi5-S 聚集体溶液后。成像结果显示，注射后 10 分钟，1064 nm 激发下的荧光信号主要分布在肝脏、脾脏和骨骼（如椎骨），而 808 nm 激发下的信号主要集中在肝脏。在接下来的 180 分钟内，荧光信号强度逐渐减弱，但分布模式基本不变。椎骨与软组织的荧光强度比值在 180 分钟时达到峰值，表明 ESi5-S 聚集体在骨骼中具有较高的亲和力。此外，通过线强度分析，可以测量出不同解剖结构的尺寸。这些结果表明 ESi5-S 聚集体在体内具有良好的稳定性和生物相容性，可用于在体内可视化整个骨骼系统，能够清晰地显示骨骼和肝脏的分布。
图3. 活体小鼠体内光声成像。
小鼠进行的体内光声成像实验结果显示，注射 ESi5-S 聚集体溶液后 180 分钟，1064 nm 激发下的光声信号主要集中在肝脏和骨骼（包括胸骨、肋骨和腰椎），与荧光成像结果一致。特别是对于腰椎，垂直和水平分析（ROI 1 和 ROI 2）显示了八个和三个光声强度峰值，可以区分不同的椎骨，包括后关节突。这些结果表明 ESi5-S 聚集体在体内优异的光声成像能力，能够提供高对比度的骨骼成像，进一步验证了其在生物成像中的应用潜力。
这篇文献不仅提供了一种新的 SWIR 聚集体的合成方法，还展示了其在生物成像和治疗中的巨大潜力，为未来开发高性能生物成像材料提供了重要的理论和实验基础。
文章中光声成像部分的实验数据用的是 TomoWave 自主研发的 LOIS-3D 小动物全身 3D 光声成像系统。
论文信息：
A stable and biocompatible shortwave infrared nanoribbon for dual-channel in vivo imaging
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55445-x
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