新型NIR-II有機(jī)小分子染料（LZ-1105）用于動(dòng)物血流動(dòng)態(tài)成像

描述：

Real-time monitoring of vessel dysfunction is of great significance in preclinical research. Optical bioimaging in the second near-infrared (NIR-II) window provides advantages including high resolution and fast feedback. However, the reported molecular dyes are hampered by limited blood circulation time (~ 5-60 min) and short absorption and emission wavelength, which impede the accurate long-term monitoring. Here, we report a NIR-II molecule (LZ-1105) with absorption and emission beyond 1000 nm. Thanks to the long blood circulation time (half-life of 3.2 h), the fluorophore is used for continuous real-time monitoring of dynamic vascular processes, including ischemic reperfusion in hindlimbs, thrombolysis in carotid artery and opening and recovery of the blood brain barrier (BBB). LZ-1105 provides an approach for researchers to assess vessel dysfunction due to the long excitation and emission wavelength and long-term blood circulation properties.

【研究背景】

維持血液循環(huán)系統(tǒng)于良好的工作狀態(tài)，是生物機(jī)體得以生存的基本條件，因此對(duì)血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控具有重要意義。在血流監(jiān)控過程中，不僅需要在單個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行的靜態(tài)成像，更需要對(duì)其實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無創(chuàng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。與傳統(tǒng)的近紅外窗口（780-900 nm）相比，近紅外二區(qū)（NIR-II; 1000-1700 nm）光學(xué)生物熒光成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的信噪比和生物組織穿透深度。而有機(jī)分子探針由于具有相對(duì)分子量較小，易于代謝，生物毒性低等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于未來的生物醫(yī)用轉(zhuǎn)化具有較大的潛力。目前雖然有機(jī)NIR-II熒光探針已經(jīng)被廣泛報(bào)道用于活體成像，然而由于其血液循環(huán)半衰期較短（約5-60分鐘），無法實(shí)現(xiàn)對(duì)血液循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)。

【成果簡(jiǎn)介】

科研團(tuán)隊(duì)以2-苯基吲哚等為原料，通過兩步反應(yīng)可高產(chǎn)率（90%）合成吸收和發(fā)射波長(zhǎng)均大于1000 nm的水溶性近紅外成像探針LZ-1105。該分子內(nèi)芳香母核上扭轉(zhuǎn)的吲哚環(huán)提供了較大的空間位阻，端基上含有的四個(gè)磺酸根基團(tuán)進(jìn)一步賦予了LZ-1105較高的水溶性。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)利用密度泛函理論解釋了LZ-1105有機(jī)小分子的電子特性和類似化合物LZ系列分子的光譜差異及規(guī)律，為NIR-II有機(jī)小分子探針的設(shè)計(jì)與合成提供了新思路。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明此分子探針可特異性與血液中的纖維蛋白原結(jié)合形成復(fù)合物，從而具有較長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間（半衰期為3.2小時(shí)），可用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)小鼠下肢血管缺血再灌注，動(dòng)脈血栓的溶栓過程以及血腦屏障的開啟和關(guān)閉等生理變化。

圖一、LZ-1105的光學(xué)特性及其與ICG體內(nèi)近紅外成像的對(duì)比

（a）LZ-1105的合成路線。

（b）LZ-1105在PBS中的歸一化吸收和熒光強(qiáng)度。插圖：LZ-1105（10?μM）在PBS中的NIR-II熒光圖像。

（c）LZ-1105和ICG在1064?nm和808?nm激光激發(fā)下的熒光強(qiáng)度。插圖：小鼠血液中LZ-1105和ICG的NIR-II熒光圖像。

（d-e）（d）、LZ-1105和ICG的NIR-II圖像、歸一化信號(hào)強(qiáng)度和半峰寬對(duì)比。

（f-j）用LZ-1105或ICG注射裸鼠（腦）和脫毛ICR小鼠（n?=?3）（淋巴系統(tǒng)和后肢）腦（f）、后肢（h）和淋巴系統(tǒng)（j）的無創(chuàng)NIR-II熒光圖像。

（g-k）沿腦（f）、后肢（h）和淋巴系統(tǒng)（j）紅色虛線的熒光強(qiáng)度分布（點(diǎn)）和高斯擬合（線）。

圖二、LZ-1105和ICG的藥代動(dòng)力學(xué)和血液滯留

（a-c）靜脈注射LZ-1105和ICG后，小鼠身體（a）、大腦（b）和后肢（c）的不同時(shí)間NIR-II成像。

（d）LZ-1105和ICG給藥小鼠在（b）和（c）的黃藍(lán)虛線處的相應(yīng)信號(hào)背景比（SBR）隨時(shí)間變化。

（e）LZ-1105和ICG給藥小鼠的血液循環(huán)（%ID g?1）隨時(shí)間變化。

（f）LZ-1105小鼠24小時(shí)內(nèi)尿累積排泄曲線。

（g）LZ-1105和ICG在不同激發(fā)和長(zhǎng)通濾波器下的NIR-II信號(hào)強(qiáng)度。

（h）用20 oC恒溫滴定量熱法（ITC）測(cè)定了LZ-1105和ICG與牛血清白蛋白（BSA）和牛纖維蛋白原的結(jié)合參數(shù)。

圖三、后肢缺血再灌注的實(shí)時(shí)NIR-II成像

（a）缺血再灌注過程示意圖。

（b）如圖所示，在不同時(shí)間點(diǎn)用LZ-1105進(jìn)行缺血再灌注的NIR-II生物成像。

（c）分別在被夾住1、4、8和12?h后，作為時(shí)間函數(shù)的前、中和結(jié)束位置處的血流所經(jīng)過的相應(yīng)距離。

圖四、頸動(dòng)脈溶栓過程的實(shí)時(shí)NIR-II成像

（a）溶栓過程的示意圖。

（b）LZ-1105在重組組織纖溶酶原激活劑（rt-PA）注射的不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)頸動(dòng)脈進(jìn)行NIR-II生物成像。

（c）在溶栓過程中恢復(fù)血流量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。

圖五、實(shí)時(shí)無創(chuàng)NIR-II成像監(jiān)測(cè)血腦屏障的開啟和關(guān)閉

（a）用于監(jiān)測(cè)BBB開啟和恢復(fù)的NIR-II成像設(shè)置的示意圖。

（b）不同時(shí)間點(diǎn)（n?=?3）聚焦超聲（FUS）和微泡處理前后小鼠腦的NIR-II圖像。

（c-d）綠色和紫色圓圈對(duì)應(yīng)的歸一化平均信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。

【結(jié)論展望】

總之，這項(xiàng)工作描述了一種小分子有機(jī)LZ-1105，以實(shí)現(xiàn)快速、無創(chuàng)、高分辨率和實(shí)時(shí)的血管動(dòng)力學(xué)成像。LZ-1105具有長(zhǎng)時(shí)間的血液循環(huán)和NIR-II窗口的激發(fā)和發(fā)射，可用于動(dòng)態(tài)血管過程的靜態(tài)或持續(xù)成像，包括后肢缺血再灌注、頸動(dòng)脈溶栓和小鼠BBB的暫時(shí)開啟和恢復(fù)。該方法可用于動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)更多的血管相關(guān)現(xiàn)象，為小動(dòng)物血管相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制提供新的研究手段。

已發(fā)表文章：

Nat Commun 11, 3102 (2020)

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16924-z  

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本文科研涉及材料：

單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes）

量子點(diǎn) (quantum dots）

稀土摻雜下轉(zhuǎn)換納米顆粒 (rare-earth doped downconversion nanoparticles）

吲哚菁綠 (ICG）

牛血清白蛋白 (bovine serum albumin）

牛纖維蛋白原 (bovine fibrinogen）

吲哚菁綠標(biāo)記牛血清白蛋白 ICG mixed bovine serum albumin（ICG-BSA）

LZ-1105標(biāo)記牛纖維蛋白原（LZ-1105 mixed bovine fibrinogen）

蘇木精染色液（Haematoxylin）

伊紅染色(Eosin staining)

小編zhn2021.11.11