近日，華東理工大學(xué)藥學(xué)院錢旭紅院士、楊有軍教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于“電場量子限域效應(yīng)”的超吸收花菁染料。該研究工作提出了一種用于提升染料摩爾消光系數(shù)的理性設(shè)計(jì)方法，對Cy3/5/7/9四個(gè)系列的染料進(jìn)行合理分子改造，成功構(gòu)建一個(gè)摩爾消光系數(shù)高（亮度高）、穩(wěn)定性好的花菁染料庫，并成功實(shí)現(xiàn)小鼠腎臟組織高精度三維成像。相關(guān)成果以“Super-Absorbing Quantum-Confined Cyanine Dyes for Near-Infrared Confocal Imaging of Hierarchical Nephron Structures”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.（https://doi.org/10.1021/jacs.5c13660）上。
生命是一個(gè)三維的、動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)。現(xiàn)代生物學(xué)與醫(yī)學(xué)研究迫切需要能看清整個(gè)器官乃至活體內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)。波長超過800nm的近紅外光，在生物組織中吸收少、散射弱，具有更大的組織穿透深度，是高精度活體成像的最理想的光譜區(qū)間。然而，現(xiàn)有近紅外染料亮度低（摩爾消光系數(shù)×熒光量子產(chǎn)率），活體成像的分辨率低，同時(shí)近紅外染料穩(wěn)定性差，無法滿足長時(shí)程活體成像需求。因此，領(lǐng)域亟待開發(fā)熒光亮度高、穩(wěn)定性好的熒光染料。受限于能隙定律，近紅外染料的熒光量子產(chǎn)率難以進(jìn)一步優(yōu)化。作者提出對近紅外染料的摩爾消光系數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化，從而提升亮度。
研究團(tuán)隊(duì)對不同種類的已知染料進(jìn)行系統(tǒng)性構(gòu)效關(guān)系分析，提出了一條創(chuàng)新的染料摩爾消光系數(shù)強(qiáng)化策略——“電場量子限域效應(yīng)”。簡而言之，染料分子在溶液中會與極性的溶劑分子相互作用，這會干擾電子云在染料骨架的對稱分布，降低染料的躍遷偶極矩，導(dǎo)致其“吸光能力”大幅下降。在染料骨架的兩個(gè)端位引入立體位阻保護(hù)基團(tuán)，可有效屏蔽溶劑分子通過自身電場對染料分子的軌道分布的干擾，實(shí)現(xiàn)染料分子的電場量子限域，潛在可大幅提升其摩爾消光系數(shù)。
作者進(jìn)一步展示了如何利用“電場量子限域效應(yīng)”對染料進(jìn)行性能強(qiáng)化：（一）理論計(jì)算確定染料分子的HOMO/LUMO軌道分布；（二）確定染料分子易受溶劑環(huán)境干擾的關(guān)鍵位點(diǎn)，對于Cy7染料而言，關(guān)鍵位點(diǎn)為C-2/C-4/C-5；（三）在關(guān)鍵位點(diǎn)分別引入大體積的立體絕緣基團(tuán)。基于上述的三步法，研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了一個(gè)包含Cy3/Cy5/Cy7/Cy9等四個(gè)系列共46個(gè)花菁染料分子。通過對染料庫分子的構(gòu)效關(guān)系研究，驗(yàn)證了該策略的可行性和普適性。其中，有多例花菁染料的摩爾消光系數(shù)高達(dá)4×105 cm-1M-1，遠(yuǎn)高于領(lǐng)域內(nèi)已發(fā)表的分子。作者將其稱為超吸收染料。此外，有3例Cy7/Cy9染料甚至具有5×105cm-1M-1以上的摩爾消光系數(shù)。這些立體絕緣基團(tuán)還極大提升染料的穩(wěn)定性。
這類超吸收花菁染料具有高亮度、高穩(wěn)定性、高生物相容性的特點(diǎn)，為高散射介質(zhì)（如動物組織）的高分辨率三維成像提供了新工具。研究團(tuán)隊(duì)利用染料7對小鼠腎臟進(jìn)行成像，不僅能區(qū)分皮質(zhì)、髓質(zhì)等大區(qū)域，更能精確測量出腎小球、腎小管壁乃至內(nèi)部毛細(xì)血管的微觀尺寸。并且通過三維重建，觀察到的腎小球毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)出球動脈血管壁等精細(xì)結(jié)構(gòu)。
該論文的第一通訊單位為華東理工大學(xué)，通訊作者為藥學(xué)院楊有軍教授，共同第一作者為藥學(xué)院博士研究生章宇揚(yáng)、王冰雅。工作還得到了錢旭紅院士的悉心指導(dǎo)。華東師范大學(xué)羅瀟研究員、上海中醫(yī)藥大學(xué)葛廣波教授對工作的開展給與大力幫助。本研究還得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委以及高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)和生工國重室開放課題的支持。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c13660
