近紅外二區熒光多重成像技術可以同時對活體深層組織內的兩個或者多個生物過程進行定性和定量的研究，因此，對于科研人員更好的理解疾病的發生機制、進行藥物的篩選以及臨床上的精確診斷具有重要的意義。然而，由于缺乏在水溶液中具有完整吸收光譜以及良好光譜分離的高亮度近紅外二區染料，活體深層組織下的近紅外二區熒光多重成像具有很大的挑戰性。

張凡教授研究團隊構建了一系列長波長的七甲川菁染料，并通過反離子配對策略有效增強了染料在水溶液中的光物理學性質。最后，通過結合反離子配對的染料和激發波長相匹配的激光器構建了近紅外二區激發雙色成像系統，并將該系統成功地用于同時成像小鼠的血液循環系統和代謝器官、腫瘤和腫瘤附近的血管系統、小鼠后肢的淋巴系統和血管系統。這是首、次在活體深層組織內實現近紅外二區激發和近紅外二區發射的熒光多重成像。該研究成果于2022年3月16日以“Counterion-paired Bright Heptamethine Fluorophores with NIR-II Excitation and Emission Enable Multiplexed Biomedical Imaging”為題在線發表于《Angew. Chem. Int. Ed.》上。

圖 1. 摘要圖

團隊基于七甲川菁染料為母體設計了九種菁染料分子（命名為HC）。為了評估反離子配對的HCs染料的近紅外二區激發成像性能，分別研究了模擬生物組織和真實生物組織中的光學穿透性能以及活體成像性能，結果表明反離子配對的染料膠束擁有更高的亮度。此外，小鼠的全身血管成像結果證明了反離子配對策略提高染料成像性能的有效性，為近紅外二區激發的多重生物成像做好了準備（圖2）。

圖 2.（a）HC1342/F5-TPB膠束在脂肪乳劑中的穿透實驗示意圖；（b，c）HC1342/F5-TPB膠束覆蓋2 mm小鼠肌肉組織后的成像示意圖；（d-k）小鼠大腦、背部、后肢和腹部血管成像示意圖。

團隊通過結合反離子配對的染料和激發波長相匹配的激光器構建了近紅外二區激發雙色成像系統，并將該系統成功地用于同時成像小鼠的血液循環系統和代謝器官、腫瘤和腫瘤附近的血管系統、小鼠后肢的淋巴系統和血管系統（圖3）。

圖3. （a）HC1222/F5-TPB和HC1342/F5-TPB的歸一化發射光譜以及1200-1300 nm通道（紅色）和1450-1700 nm（青色）通道的偽彩色圖像；（b）代謝系統雙色成像的示意圖；（c）腫瘤小鼠的雙色成像示意圖；（d）沿c中黃色虛線的橫截面熒光強度分布；（e）淋巴管和后肢血管的雙色成像示意圖；（f）沿e中黃色虛線的橫截面熒光強度分布。

總之，團隊共設計合成了九個具有近紅外二區發射的七甲川菁染料，并通過反離子配對策略增強了染料在水溶液中的光物理學性質。通過結合反離子配對的染料和激光器構建了近紅外二區激發雙色成像系統，并將該系統成功地用于同時成像小鼠的血液循環系統和代謝器官、腫瘤和腫瘤附近的血管系統、小鼠后肢的淋巴系統和血管系統，首、次在活體深層組織內實現近紅外二區激發和近紅外二區發射的熒光多重成像。該研究拓展了熒光多重成像的能力，為活體深層組織內的生物醫學成像提供了新的機會。

參考文獻

Yang Yang#, Caixia Sun#, Shangfeng Wang*, Kui Yan, Mengyao Zhao, Bin Wu and Fan Zhang*. Counterion-paired Bright Heptamethine Fluorophores with NIR-II Excitation and Emission Enable Multiplexed Biomedical Imaging. Angew. Chem. Int.Ed. , 2022, 61, e202117436.

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