近日，華東理工大學藥學院錢旭紅院士、楊有軍教授團隊構建新型短波紅外（SWIR）染料聚集體。該研究工作提出了一種晶體結構輔助的J聚集體的理性設計方法，對團隊前期報道的ESi5近紅外染料母體進行合理分子改造，成功構建一種水溶性好、穩(wěn)定性好、吸收發(fā)射波長長且生物相容的染料聚集體，并成功實現(xiàn)小動物活體水平的雙通道熒光/光聲雙模態(tài)成像。相關成果以 “A stable and biocompatible shortwave infrared nanoribbon for dual-channel in vivo imaging”為題發(fā)表在Nature Communications （Nature Communications, 16, 4, 2025）上。

圖片說明：聚集體的設計思路

　　短波紅外區(qū)間（~1000-2000 nm）是深層組織高對比度成像、疾病診斷、光動力/光熱治療和熒光手術導航的理想光譜窗口。領域內的短波紅外染料由于HOMO-LUMO能級差小，普遍面臨穩(wěn)定性差、在水溶液中熒光淬滅的問題，限制了其在實際臨床上的應用。染料J-聚集潛在可以提高染料穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)吸收發(fā)射紅移的途徑。J-聚集體是由染料偶極子間呈滑動堆積排列（滑移角< 54.7o）構成的，其光物理性質對于短波紅外成像是有利的：1.吸收和發(fā)射波長的紅移增加了穿透深度；2.光譜的銳化適用于多通道成像；3.消光系數(shù)的增加提高成像亮度；4.高穩(wěn)定性有利于長時間成像。但J-聚集體的理性構建是領域長期存在的研究難點。

　　基于此，研究團隊以前期基于硅羅丹明開發(fā)的共軛延長的高穩(wěn)定性、高熒光亮度近紅外染料二苯并硅羅丹明（ESi5）為基礎，提出了一種晶體輔助聚集體合成方法（Crystal-Aided Aggregate SyntHesis, CAASH），成功構建了水溶性的短波紅外染料聚集體。當陰離子為PF6-時，ESi5晶體結構中鏈內的分子呈斜向堆積（V-聚集），鏈間呈J-聚集排列，因此將其命名為JV-聚集體。基于晶體結構，研究團隊進行合理的設計，通過在側鏈以疊氮化、Click反應引入帶負電荷的磺酸/羧酸根基團，利用親水（磺酸根基團）/疏水（共軛結構）相互作用實現(xiàn)染料的自組裝。該系列染料聚集體具有三個獨特吸收峰：其中1038 nm處的紅移吸收峰和696 nm處的藍移吸收峰歸屬于鏈內V聚集，1098 nm處的紅移吸收峰歸屬于鏈間J聚集。最大發(fā)射波長位于1106 nm，表明Stokes位移僅8 nm。其在水溶液中的聚集形貌通過透射電鏡、冷凍透射電鏡、原子力電鏡交叉驗證為厚度3.4 nm的納米絲帶狀結構。并且通過光/化學/熱穩(wěn)定性的測試驗證了其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，其在水中解聚溫度（aagg=0.5）超過70 oC，并且解聚后降低至室溫又快速重新聚集。

圖片說明：ESi5-S聚集體的基本性質

　　這類短波紅外聚集體具有高穩(wěn)定性、高生物相容性、易制備的特點，因此在生物成像/治療中具有廣泛的應用潛力。ESi5-S聚集體經(jīng)尾靜脈注射，潴留在小鼠全身骨骼、肝臟和脾臟，并經(jīng)肝膽代謝后解聚為單體，通過808/1064nm激光激發(fā)可以實現(xiàn)雙通道熒光成像。該成像結果表明聚集體的熒光成像潛力，揭示其活體內代謝途徑。此外，ESi5-S聚集體同樣是合適的光聲成像材料，溶液中的光聲測試表明其光聲信號強度為同濃度IR-1061的3.5倍。活體內的光聲成像實現(xiàn)了對小鼠骨骼的三維重構，可以清晰顯示胸骨、肋骨及腰椎，表明其優(yōu)異的光聲成像性能。

圖片說明：體內雙通道熒光成像與光聲成像

　　該論文的第一通訊單位為華東理工大學，通訊作者為藥學院楊有軍教授，第一作者為藥學院博士研究生姚成。工作得到了錢旭紅院士、華東師范大學陳縉泉教授、華東理工大學曲大輝教授、有機所劉聰教授、湖北大學任君教授、上海中醫(yī)藥大學葛廣波的大力支持和悉心指導。此外，本研究還得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、上海市科委以及高校基本科研業(yè)務費和生工國重室開放課題的支持。

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55445-x