J.Am.Chem.Soc.
明亮的铬聚亚甲基染料快速四色
短波红外探测活体成像
大家好，今天给大家推荐一篇发表在JACS上的文章，通讯作者是OliverT.Bruns和EllenM.Sletten。
光学检测在短波红外(SWIR,-nm)区域的电磁谱提供了高灵敏度和高分辨率的小动物成像。与近红外(NIR,-nm)和可见光(VIS,-nm)区域相比，低散射系数、减少组织自荧光和吸水提高了SWIR的对比度。近年来，利用生物发光、磁共振、光声成像等非侵入性方式在体内多路复用的研究为同时研究多种生物参数铺平了道路。作者报道了一种小鼠多路非侵入性光学成像策略，即激励多路复用与单通道SWIR检测。这种方法依赖于具有均匀间隔吸收光谱的涡射荧光探针，该探针可以优先用正交波长的光激发(图1a)，并在毫秒级的SWIR(图1b)中检测。为了从不同的、良好分离(约75-nm)的激发波长中产生正交信号，需要两种类型的发射器:(1)具有SWIR吸收和发射的荧光团和(2)NIR吸收染料表现出长波长发射尾延伸到SWIR区域(图1)。在SWIR中成像近红外染料需要更高的整体亮度来补偿被收集的发射信号的小部分(图1b)。然而，除了FDA批准的吲哚菁绿(ICG，图1b)和类似物，它们通常在-nm之间被激发，目前，只有少数明亮的探针具有近红外吸收nm(图1c,ii,iii)。为了提高小动物非侵入性成像中多路复用的速度和程度，需要在-nm波长范围内具有较窄激发光谱的更明亮染料。
图1.(a)在近红外和短波红外区域中具有不同激发通道的选择荧光团的吸收特性。(b)通过覆盖SWIR探测窗口(此处定义为1nm)的近红外和短波红外选择荧光团的发射特性。强度图示表示下面定义的关键成像概念。(c)现有荧光团，其各自的吸收波长值为ΦF，与(a)。中定义的激发通道一致(d)本手稿中报告的五甲胺和七甲胺荧光团。
如图1所示，荧光团在激励多路SWIR成像的背景下，为了获得高亮度、最大吸收波长为nm的近红外聚亚胺染料，作者从含氧*酮染料入手，该染料具有明亮的近红外和旋光吸收分子。由4-甲基-7-二甲氨基*酮杂环构成的荧光团包括七甲基*酮染料1和五甲基*酮染料2(图2a)，它们的发射能力是硫*酮染料的10倍，这可能是由于体系间交叉的减少(除了能量间隙定律的影响。作者探索了增加长波长多甲基染料发射行为的杂环的结构特征，所得到的染料用于小鼠快速和多路SWIR成像。
作者假设*酮上2位苯基的旋转和振动模式(图1d)可能有助于生成的多甲基染料的内转换。为了研究这个问题，作者以2位含有叔丁基或1-adamanyl基团的4-甲基铬杂环为靶点，合成了吸收在-nm之间的五甲基和七甲基胺染料(图2a,b)。为了获得高亮度、最大吸收波长为nm的近红外聚亚胺染料，作者从含氧*酮染料入手，该染料具有明亮的近红外和旋光吸收分子。作者发现，铬杂环化合物可以通过与之前的*酮变种类似的途径合成(方案S1)。从这些杂环中，我们通过经典的多甲基缩合反应与相应的共轭双(苯亚胺)合成了七甲基和五甲基的铬酰亚胺染料(图2a)。
图2.七甲胺和五甲胺染料的结构和光物理性质。(a)本研究探索的七甲胺和五甲胺染料的化学结构。(b)ICG和染料1-10的吸收最大值以图形形式显示在电磁光谱上，并与用于激发多路复用、单通道SWIR成像的独特激发通道对齐。(c)新报道染料的吸收光谱。(d)新报告的染料的发射光谱，例如:五甲胺染料=;七甲基红染料的波长为nm。(e,f)以图示显示七甲胺染料(e)和五甲胺染料(f)的量子产量;误差条表示标准偏差。(g)光物理性质表。
方案1.作者的合成路线及成像效果。
综上所述，在活体动物体内非侵入性和纵向跟踪多个探针的能力将是研究人类疾病的原因和干预措施的关键。作者设计并合成了7种含*杂环和铬杂环的新型多甲基染料。与*酮染料相比，由于非辐射率降低，五甲胺和七甲胺铬染料的量子产量显著提高。利用兴奋多路复用策略来比较两种探针在同一只小鼠中的性能和生物分布。在本实验中，我们发现JuloChrom5(10)在体内实验中，在nm处可兴奋，比ICG更亮。明亮的染料面板可以实现高达帧/秒的单通道成像，而在正交激发波长可激发的染料可以一起使用，提供高达帧/秒的三通道成像。
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