本文要點：本文報道了一系列基于芳烴的NIR-II熒光染料（稱為cyazulenes），通過環烯烴調整光譜特性用于成像。通過將環烯烴與芳烴衍生物簡易偶聯來構建這些芳烴基熒光染料（CA965、CA985和CA1025），并展現出不同的H-聚集和J-聚集。特別值得注意的是，CA985能夠在生物介質中形成顯著的J-聚集體，具有強而尖銳的NIR-II發射，可用于小鼠體內血管和淋巴管的精細結構成像。此外，CA985顯示出被動骨靶向能力，實現骨成像。本研究揭示了不同環烯烴對芳烴基熒光染料聚集體形成和光譜特性的影響，將推動基于芳烴的NIR-II熒光染料的發展。

圖1. 芳烴基熒光染料（CA965、CA985和CA1025）的合成及其光譜性質

本文假設將兩個芳烴單元與不同大小的環烯烴耦合，產物將因增強的π共軛聚甲基特性而發射NIR-II熒光，同時具備多樣化的光譜特性。利用芳烴的5元環電負性，使其與醛縮合可生成大共軛體系。通過芳烴與環酮衍生的醛便捷縮合，合成了π共軛擴展的芳烴基染料（cyazulenes，圖1A）。

不同環烯烴的cyazulenes展現出可調控的光物理特性。cyazulenes在有機溶劑中展現出NIR-II吸收（909–933 nm）和較強的熒光（945–1025 nm；Φ = 0.01–0.12%）。隨著環烯烴碳原子數增加，這些cyazulenes在CHCl3中的吸收峰小幅藍移，但發射峰顯著紅移；CA965、CA985和CA1025的吸收和發射峰半高寬分別為57和74 nm、79和131 nm、100和171 nm（圖1B,C），表明隨著環烯烴碳原子數增加，峰寬逐漸變寬。如圖1D–F所示，cyazulenes產生規則的單吸收，CA965的熒光大幅減弱，并出現752 nm的藍移吸收峰，這是典型H聚集的特征，同時CA965的熒光幾乎不可見。在相同條件下，CA985和CA1025類似地產生藍移吸收峰（表明H聚集形成），但同時在1162和1145 nm處觀察到紅移吸收峰，明顯表明CA985和CA1025也可形成顯著的J聚集。此外，CA985和CA1025在≈1170 nm處展現出典型紅移且尖銳的熒光峰，進一步證實了J聚集的形成，體內成像應用極為有利。

圖2. CA985聚集行為研究

盡管未能獲得CA965和CA1025單晶，但成功制備了CA985單晶。單晶的俯視與側視結構（圖2B）顯示，三個CA985分子以螺旋方式堆疊形成近中心對稱的三角形，此堆積模式既不遵循J-聚集體的特征，也不符合H-聚集體的典型規律。通過對比CA985單晶及其粉末（通過CH₂Cl₂溶解單晶后揮發溶劑制備）的吸收與發射光譜，發現兩者吸收光譜差異較小，但粉末在1180 nm處表現出比晶體更尖銳的熒光發射峰（1340 nm處伴隨肩峰；圖2C）。該粉末的1180 nm熒光特性與CA985在PBS中形成的J-聚集體相似，其尖銳發射特性有利于多色成像應用。

圖3. CA985 NPs小鼠淋巴系統、血管和脛骨的NIR-II體內成像

為提高CA985的體內成像效能，采用DSPE-PEG2000作為載體材料制備納米顆粒（NPs）。CA985在該NPs中仍可形成具有顯著熒光的J-聚集體（J-aggregates），其粒徑≈33 nm。通過足墊注射CA985-NPs進行小鼠淋巴結成像，結果顯示腘淋巴結可清晰顯影（信背比達28.5），且高倍圖像中可觀察到淋巴系統的四組淋巴瓣膜結構（圖3A中白色箭頭標記）。四組淋巴瓣膜的熒光強度分布顯示平均半峰寬（FWHM）≈0.3 mm（圖3B），為淋巴瓣膜尺寸研究提供了關鍵數據。通過靜脈注射CA985-NPs進行小鼠血管成像，注射5分鐘后全身血管（包括左右頸靜脈）可清晰成像（平均FWHM≈0.6 mm，圖3C-D）。隨時間推移，CA985逐漸在肝脾富集，但50分鐘后頸靜脈仍可見信號。值得注意的是，股血管熒光強度下降而脛骨熒光增強（圖3E-F），提示CA985可能具有骨成像潛力。

圖4. CA985 NPs小鼠的離體和體內骨成像

進一步研究顯示，CA985-NPs在小鼠骨骼系統中呈現特異性富集：注射12小時后，脛骨、胸骨及椎骨等部位熒光信號達到峰值。解剖實驗表明，尾靜脈注射CA985-NPs 12小時后，離體骨骼（尤其是富含骨髓的椎骨）仍保留顯著熒光（圖4A）；骨髓沖洗后骨組織熒光大幅減弱，而收集的骨髓顯示強熒光信號（圖4B）。對比實驗證實，CA985的骨靶向特性與載體材料類型無關，而可能與其分子結構中薁環基團相關。活體及離體成像顯示，CA985-NPs可實現小鼠胸骨、脛骨及足骨的高分辨成像（圖4C），且兩種模式下骨骼結構的FWHM具有良好一致性（圖4D-I）。該特性使其成為研究骨骼疾病（如骨質疏松）的理想工具，為骨代謝異常等病理過程的在體監測提供了新策略。

圖5. NIR-II多色熒光成像。通過CA965/CA985 NPs在950 nm BP濾光片下對小鼠腿部血管進行多色成像

相較于單色成像，多色活體成像可顯著提升信息密度。利用950 nm帶通（BP，925–975 nm）與1150 nm長通（LP）濾光片的光譜拆分特性，CA965-NPs與CA985-NPs可實現雙色成像，成功應用于小鼠左右腿腘淋巴結的同步顯影。為進一步提升成像可靠性，研究團隊通過DSPE-PEG2000載體共載CA985與CA965制備CA965/CA985-NPs，利用比率熒光測量技術消除外部干擾因素影響。在小鼠腿部血管比率成像實驗中，950 nm BP（紅光通道）與1150 nm LP（綠光通道）雖均可顯示血管輪廓，但難以區分動靜脈（圖5A）。通過比率成像處理（圖5a5），背景噪聲顯著降低，血管半峰寬（FWHM）由≈0.26 mm優化至0.20 mm（圖5B），實現動靜脈的清晰分辨。此外，比率信號從左至右的梯度變化（圖5a5）精確反映了血管距皮膚表面的深度遞減趨勢，該特征在單色成像中較難獲取。

總結而言，本文提出了一種通過調節環烯烴來合成系列近紅外二區（NIR-II）熒光團（CA965、CA985和CA1025）的策略，這些熒光團具有不同的聚集行為和特殊分析功能，適用于成像應用。研究表明，次甲基鏈中環烯烴碳原子數的可調節性使這些熒光團表現出不同的H-聚集和J-聚集行為；增加碳原子數會導致熒光團單體形式的吸收藍移和熒光紅移，這與經典花菁染料的行為不同。CA985尤為獨特，因其J-聚集體在PBS生物介質中具有強而尖銳的NIR-II發射。此外，本文證明了CA985可用于小鼠血管、淋巴收集管精細結構甚至骨骼的活體成像。所開發的cyazulenes類（尤其是具有被動骨靶向功能的CA985）的新化學特性將推動NIR-II熒光團的發展，促進多樣化的成像應用。

參考文獻

Gao W, Liu D, Li H, et al. NIR‐II Cyazulene Fluorophores with Adjustable Cycloalkenes and Spectroscopic Properties for Imaging Applications[J]. Advanced Healthcare Materials, 2025: 2404996.

⭐️ ⭐️ ⭐️

動物活體熒光成像系統 - MARS 

In Vivo Imaging System

⭐️ ⭐️ ⭐️

 恒光智影

上海恒光智影醫療科技有限公司，被評為“國家高新技術企業”，“上海市專精特新中小企業”，榮獲“科技部重大儀器專項立項項目”，上海市“科技創新行動計劃”科學儀器領域立項單位。

恒光智影，致力于為生物醫學、臨床前和臨床應用等相關領域的研究提供先進的、一體化的成像解決方案。

專注動物活體成像技術，成像范圍覆蓋 400-1700 nm，同時可整合CT, X-ray，超聲，光聲，光熱成像等技術。

可為腫瘤藥理、神經藥理、心血管藥理、大分子藥代動力學等一系列學科的科研人員提供清晰的成像效果，為用戶提供前沿的生物醫藥與科學儀器服務。