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本文要點：近紅外二區（NIR-II）成像和光熱療法在生物體內的精準診斷和治療中具有巨大的潛力。目前缺乏同時具有高光熱轉換效率（PCE）和熒光量子產率（ΦF）的NIR-II熒光探針。本文中，通過將一個大的共軛吸電子核心、多個轉子和多個烷基鏈整合到一個分子中，成功構建了一種NIR-II試劑4THTPB，其具有優異的PCE（87.6%）和高ΦF（3.2%）。4THTPB顯示出在1058 nm的zui大發射峰，其發射尾部可延伸至1700 nm。這些特性使其納米顆粒（NPs）在NIR-II高分辨率血管造影中表現良好，從而通過NIR-II成像實現對血栓的精確診斷，并實現高效的光熱溶栓。這項工作不僅提供了一種性能優異的NIR-II試劑，還為高性能NIR-II試劑的設計提供了寶貴的指導。
在此，研究者通過將一個大的共軛受體多個轉子和四個烷基鏈整合到一個分子中，制備了一種名為4THTPB的NIR-II試劑，其具有高PCE和可觀的ΦF（圖1）。烷基鏈為多個轉子的分子內運動提供了充足的空間。這一設計策略最終使4THTPB在制備成納米顆粒（NPs）時的PCE達到87.6%。此外，引入烷基噻吩單元確保了分子內的顯著扭曲，從而有效防止了由π–π堆積引起的聚集誘導淬滅（ACQ）效應。同時，大共軛剛性單元與適當的烷基長度減少轉子運動空間以通過非輻射失活過程消耗所有能量。因此，測得4THTPB NPs的ΦF為3.2%。光物理測量顯示，4THTPB NPs在1058 nm處顯示出zui大發射，并且發射尾部延伸至1700 nm，這表明其在NIR-II區域具有出色的熒光成像能力。4THTPB是綜合性能（PCE和ΦF）以及最長波長方面報告的好試劑之一。因此，4THTPB NPs可用于小鼠血管成像并準確識別血栓位置。此外，由于其高PCE，4THTPB NPs可用于光熱溶栓和治療后血管重連的可視化。
圖1. 4THTPB的化學結構、設計策略和性能示意圖
接下來，用DSPE-PEG2000包封4THTPB，研究了其聚集狀態下的性能。通過動態光散射（DLS）和透射電子顯微鏡（TEM）表征，獲得的4THTPB NPs的流體動力學直徑為102.8 nm（圖2.A）。此外，磷酸緩沖溶液（PBS）中的4THTPB NPs非常穩定，在環境條件下30天內沒有觀察到粒徑變化。與在THF溶液中的吸收不同，4THTPB NPs在732 nm處顯示紅移峰，并顯示延伸到NIR區域（>900 nm）的寬吸收帶（圖2.B）。此外，4THTPB NPs在793 nm處的分子消光系數也高于TT1-oCB NPs。在水中，4THTPB NPs的PL在1058 nm處達到峰值，尾部為1700 nm。1400nm以上拖尾發射強度的急劇下降可歸因于1450nm附近的水對光的強烈吸收。在沒有水干擾的情況下，處于聚集狀態的4THTPB的PL信號在1400至1550 nm的范圍內逐漸下降，與水溶液中觀察到的PL信號形成鮮明對比。以1,2-二氯乙烷中的IR-26（ΦF=0.5%）為參考，計算出4THTPB NPs在水中的ΦF為3.2%，遠高于THF中的ΦF。這些結果進一步表明，4THTPB具有AIE特性，其NPs非常適合NIR-II熒光成像。
圖2. 4THTPB NPs的表征
在NIR激光（808 nm）照射下對4THTPB NPs在水中的光熱效應進行了體外研究。結果表明，NPs的光熱效應取決于激光的強度和持續時間，以及它們的濃度，從而可以精確控制熱量的產生（圖2C）。值得注意的是，在808 nm激光照射（1 W cm–2）5分鐘后，4THTPB NPs（100μM）水溶液的溫度迅速達到約70°C，而在相同條件下，純水的溫度變化很小。即使在0.3 W cm–2808 nm激光照射下，4THTPB NPs也表現出明顯的熱效應，并在5分鐘內溫度升高到45°C。4THTPB中轉子和烷基鏈的數量比之前報道的試劑多，例如轉子和烷基鏈路較少的2TT-oC6B，這使得NPs在聚集狀態下具有更多的非輻射失活過程，ΦF低于2TT-oC6A NPs就證明了這一點。經計算，PCE高達87.6%，幾乎超過了之前報道的所有NIR-II發射光熱材料。此外，4THTPB NPs具有很高的光熱穩定性，即使在五次加熱-冷卻循環后也沒有衰減。4THTPB NPs憑借其優異的熒光和光熱特性，在NIR-II成像引導的微小病變PTT（如溶栓）方面具有潛力。
圖3. 全身成像和腦血管顯微成像
使用4THTPB NPs作為探針進行體內和腦血管成像。注射4THTPB NPs后，整個血管系統變得清晰可見。為了評估空間分辨率，通過高斯擬合半峰全寬（fwhm）分析血管的橫截面強度分布，測量了血管的表觀寬度。結果表明，隨著LP濾光片波長分別從1200 nm增加到1300 nm，然后進一步增加到1500 nm，fwhm從0.43 nm下降到0.36 mm，再進一步下降到0.33 nm，從而表明NIR IIb熒光成像可用于精確區分體內的深層細節。
為了進一步驗證4THTPB NPs在不同穿透深度下對較小結構的成像能力，對小鼠大腦進行了顯微血管造影（圖3G-I）。靜脈注射4THTPB NPs后，在不同深度可觀察到小鼠腦內的血管系統。值得注意的是，穿透深度可達840μm，這使得即使是寬度為3.4 μm的毛細血管，在540μm的深度也能清晰地看到。這些發現表明，4THTPB NPs的NIR-II熒光信號提供了高清晰的深部組織成像。通過NIR-II成像技術實現的高空間分辨率為提供更準確的微小病變診斷信息帶來了巨大的希望。
圖4. 體外和體內的血栓診斷和治療
據報道，加熱不僅可以提高組織型纖溶酶原激活物的溶栓能力，而且本身也具有溶栓特性。考慮到4THTPB NPs的優異光熱效應及其發射特性，進行了NIR-II熒光成像引導的光熱溶栓。首先，在沒有血流的情況下用4THTPB NPs檢查了血栓溶解情況（圖4A，B）。不含4THTPB NPs的對照組在0.3 W cm–2的808 nm激光照射60分鐘后，PBS（pH=7.4）的顏色變化很小，從而表明凝塊溶解不足。相反，當在相同的實驗條件下使用4THTPB NPs（15-30μM）時，由于成功溶解凝塊，PBS的顏色逐漸變暗（圖4A）。通過繪制540和415nm下溶解血液的吸光度與照射時間的關系圖，證實了凝塊溶解速率隨著4THTPB NPs濃度的增加而增加（圖4B）。值得注意的是，用蘇木精和伊紅（H&E）對處理過的血栓進行染色后發現，隨著4THTPB NsP濃度的增加，處理過的xue塊更容易降解成許多小碎片，導致表面更粗糙（圖4D）。血栓的溶解可能不僅與熱量有關，還可能與NPs在光照下的運動有關。
圖5. 通過治療和評估溶栓效率來進行血管再通的NIR-II成像。左腿和右腿的NIR-II成像（右腿股動脈血栓模型）
利用NIR-II成像監測血栓溶解過程中的血管再通過程。如圖5A所示，在用808nm激光直接照射右腿5分鐘，然后靜脈注射4THTPB NPs進行NIR-II成像后，有證據表明股動脈仍然被阻斷，從而表明在沒有4THTPB NPs的情況下很難溶解血栓。然而，在隨后的4THTPB NPs照射下，隨著累積照射時間的增加，觀察到由于血栓形成導致的先前缺失的NIR-II信號顯著增強，這表明股動脈逐漸重新連接（圖5B-E）。這一結果表明，溶栓效率隨著照射時間的延長而提高。為了評估4THTPB NPs的光熱溶栓效果并觀察血管中的血栓，取下接受不同治療的小鼠的股動脈切片，用H&E染色（圖5F）。觀察到在用4THTPB NPs治療和照射后，血栓大小急劇減小。定量數據還顯示，在用4THTPB NPs治療和照射后，血栓的相對體積減少了約91%。因此，光熱溶栓過程的NIR-II成像可以生動地說明4THTPB NPs在診斷和治療血栓方面的吸引力。為了研究4THTPB NPs的分布和代謝，在體外檢測了主要器官的熒光信號，結果表明，4THTPB NPs主要積聚在肝臟和脾臟中，4THTPB NPs的NIR-II信號隨著時間的推移逐漸減弱。
在這項工作中，通過在一種化合物中集成大型共軛吸電子核、多個轉子和四個烷基鏈，成功設計了一種高性能的NIR-II試劑4THTPB。多個烷基鏈和大共軛結構的存在為多個轉子的運動提供了適當的空間。因此，4THTPB NPs同時表現出高PCE（87.6%）和ΦF值（3.2%）。同時，4THTPB的強ICT效應使其能夠發射NIR-II熒光，其波長可達1700 nm。體內NIR-II成像實驗證實，4THTPB NPs能夠以高空間分辨率清晰地描繪活體小鼠的血管系統，從而準確診斷血栓的位置。4THTPB NPs在精確光熱溶栓中的應用也已成功實現，從而在精確診斷和治療微小病變方面顯示出巨大的潛力。因此，這項工作為同時設計具有高PCE和ΦF以及長波長發射的有機NIR-II試劑提供了一種可行的策略。
參考文獻
Zhou D, Zhang G, Li J, et al. Near-Infrared II Agent with Excellent Overall Performance for Imaging-Guided Photothermal Thrombolysis[J]. ACS nano, 2024, 18, 36, 25144–25154.
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動物活體熒光成像系統 - MARS
In Vivo Imaging System
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上海恒光智影醫療科技有限公司，被評為上海市“科技創新行動計劃”科學儀器領域立項單位。
恒光智影，致力于為生物醫學、臨床前和臨床應用等相關領域的研究提供一體化的成像解決方案。
專注動物活體成像技術，成像范圍覆蓋 400-1700 nm，同時可整合CT, X-ray，超聲，光聲，光熱成像等技術。
可為腫瘤藥理、神經藥理、心血管藥理、大分子藥代動力學等一系列學科的科研人員提供清晰的成像效果，為用戶提供前沿的生物醫藥與科學儀器服務。
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