本文要點：組織對短波紅外線，即近紅外二區(qū)NIR-II 是半透明的，使光學(xué)成像在這一區(qū)域表現(xiàn)優(yōu)異。然而，光學(xué)SWIR成像的廣泛使用一直受到限制，部分原因是缺乏吸收和發(fā)射1000納米以上光的明亮、生物兼容的造影劑。

J-聚集體提供了一種將穩(wěn)定的近紅外(NIR)熒光團轉(zhuǎn)化為紅移SWIR造影劑的方法。本文作者證明了可以在空心介孔二氧化硅納米顆粒(HMSNs)內(nèi)部制備NIR熒光團IR-140的聚集體，從而形成吸收和發(fā)射SWIR光的納米材料。聚乙二醇化的HMSN內(nèi)的J-聚集體在緩沖液中穩(wěn)定數(shù)周，并能在980 nm激發(fā)下進行高分辨率活體成像。

圖1.(A)用于光學(xué)成像的電磁頻譜區(qū)域 (B)J聚集和特征光物理性質(zhì)；C)IR-140；(D)IR-140 J-聚集體在中空介孔二氧化硅納米顆粒(HMSN)中的穩(wěn)定，以產(chǎn)生生物相容性的SWIR發(fā)射造影劑

J-聚集是發(fā)色團的滑動堆疊排列，導(dǎo)致激發(fā)態(tài)躍遷偶極子的建設(shè)性耦合(圖1B)。J-聚集的光物理后果是吸收和發(fā)射光譜發(fā)生紅移，吸收和發(fā)射波段窄，斯托克斯位移小，吸收系數(shù)(ε)增強，熒光壽命縮短，從而提高量子產(chǎn)率(ΦF)和循環(huán)速率。J聚集體的許多特性對于活體成像是有益的：紅移的吸收和發(fā)射光譜將使激發(fā)和圖像采集過程中的深度穿透，窄帶可以促進多路成像，而增加的ε將產(chǎn)生明亮的材料。J-聚集體通常比單體具有顯著的光物理優(yōu)勢，但由于難以在復(fù)雜的環(huán)境中獲得和穩(wěn)定必要的發(fā)色團排列，使用J-聚集體進行活體成像的報道很少。而納米結(jié)構(gòu)可以隔離和保護有效載荷，使其成為一種在體內(nèi)穩(wěn)定J-聚集體很有前途的方法。

空心介孔二氧化硅納米顆粒(HMSN)有2?4 nm的孔，這些孔開放到一個10?200 nm大空腔，使得這些納米結(jié)構(gòu)能夠承載大量的貨物。首先，為了在HMSN中實現(xiàn)SWIR-發(fā)射J-聚集體，作者使用了七甲基染料IR-140。IR-140是一種商品化的近紅外熒光團(λ(Max)，abs=826 nm，λ(Max)，em=875 nm)，已被用作光聚合引發(fā)劑、熒光有效載荷、等離子體陣列的組分、以及Raman和雙光子成像劑。16年報道，將IR-140引入谷胱甘肽包裹的量子點可以形成J-聚集體，觀察到兩個聚集體，作者設(shè)想，類似的IR-140 J聚集體可以在HMSN的帶負電荷的孔隙和內(nèi)表面形成。此外，一旦聚集體在顆粒內(nèi)部組裝，IR-140的疏水性質(zhì)將使它們不太可能在水環(huán)境中解體，從而使J-聚集體在體內(nèi)穩(wěn)定。

圖2.(A)將IR-140加載到HMSN的示意圖；(B)洗滌條件有利于J-聚集；(C，D)經(jīng)(D)IR-140處理和未經(jīng)(C)IR-140處理的HMSN的TEM圖像

然后作者用不同量的IR-140在不同溶劑中處理HMSN（圖2A）。發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶解在DMSO中的IR-140與HMSN結(jié)合并洗滌時，可以獲得SWIR J-聚集體。事實證明，洗滌程序?qū)τ讷@得所需的J2聚集體形成至關(guān)重要（圖2B），溫和的PBS洗滌可產(chǎn)生的所需J2聚集體（深藍色，圖2B）。通過分析洗滌程序后收集的IR-140，計算出IR140的加載量為~103分子顆粒。通過透射電子顯微鏡（TEM）進一步表征HMSN，其顯示具有明顯空腔和孔的~85nm顆粒（圖2C）。通過氮吸附實驗將孔徑定量為3.2nm。雖然在空HMSN的TEM中孔清晰可見，但在用IR-140處理后它們變暗（圖2D），表明存在IR-140。

在確認HMSN可以促進IR-140的聚集之后，用聚（乙二醇）（PEG）修飾表面，使得它們可以懸浮在水性介質(zhì)中。此過程導(dǎo)致HMSN在外部帶正電荷，但仍包含帶負電荷的內(nèi)部以與陽離子IR140締合。將IR-140引入HMSN APTS的過程與HMSN相似，產(chǎn)生類似的IR-140負載和更高的J2：J1的比例。

圖3.(A)IR-140聚集體在HMSNS中的歸一化吸收和發(fā)射-PEG(藍色)，J-聚集體在溶液中(紅色)和單體(黃色)；(B)在980 nm激發(fā)下，IR-140單體(左)、溶液中的J-聚集體(中)和HMSNS-?中的J-聚集體(右)的發(fā)射；(C)在第0天(固體)和第1天或第14天(虛線)，IR-140 J-聚集體在35%DMSO/0.9%NaCl水中(紅色)和HMSNS-PEG在PBS(藍色)中的歸一化相對吸收;(D)IR-140 J-聚集體在HMSNS-PEG(藍色)和IR-140 J-聚集體在35%DMSO/0.9%NaCl水中(紅色)和IR-140 J-聚集體在DMSO中的光穩(wěn)定性(紅色)和單體在DMSO(黃色)中的光穩(wěn)定性

接下來，評估了含有IR-140的聚乙二醇化HMSN(HMSNS-PEG)的光物理性能，并與單體和J-聚集體的IR-140在溶液中進行了比較(圖3A)。單體IR-140得到了很好的表征；發(fā)現(xiàn)35%DMSO/0.9%NaCl在水中形成了所需的SWIR J-聚集體，其中abs 1042nm，em 1043nm。含有HMSNs-PEG的IR-140具有相似的光譜性質(zhì)。當(dāng)用980nm激光激發(fā)IR140在DMSO中的溶液，在35%DMSO/0.9%NaCl水溶液中的IR-140和在PBS中加載IR-140的HMSNs-PEG時，用于體內(nèi)成像實驗的波長，溶液和顆粒中的IR-140 J聚集體具有相似的發(fā)射性，而單體不受980 nm光激發(fā)（圖3B）。因此，聚集對于低能量激發(fā)的SWIR成像至關(guān)重要。

接著作者又分析了HMSN在穩(wěn)定IR140 J-聚集體中的作用。在室溫下在PBS中超過2周，觀察到載有IR140的HMSNs-PEG的吸光度僅降低~10%，并且沒有證據(jù)表明IR-140在納米顆粒內(nèi)的包裝正在改變（圖3C，藍色）。HMSN不僅穩(wěn)定了J-聚集體的組裝，而且還增強了光穩(wěn)定性。

用InGaAs照相機測量熒光強度，通過在785nm（97mW/cm 2）激發(fā)來評估單體IR-140在DMSO中的光穩(wěn)定性。如圖3D所示，HMSNs-PEG中的聚集體比溶液中的J聚集體穩(wěn)定4倍，比單體穩(wěn)定約60倍。該結(jié)果與使用二氧化硅殼通過限制可進入聚集體的活性氧物質(zhì)的量來克服J-聚集體*的差的光穩(wěn)定性是一致的。綜上所述，我們的數(shù)據(jù)表明，HMSNs對于穩(wěn)定J-聚集體的光和溶液至關(guān)重要。

圖4.靜脈注射16fps(980 nm，91 mW/cm~2激發(fā)；1000?1700 nm采集)的大鼠成像;在注射后3s(A)、8s(B)、25s(C)和120s(D)在5幀內(nèi)平均減去背景的靜止圖像

最后，通過制備和表征明亮的SWIR發(fā)射納米粒子，評估了它們的生物相容性和體內(nèi)成像性能。體外研究數(shù)據(jù)與關(guān)于介孔二氧化硅的其他研究一致，介孔二氧化硅通常被認為對動物無毒。使用IR-140加載的HMSNs-PEG在980 nm激發(fā)并從1000-1700 nm收集進行了體內(nèi)成像實驗。將發(fā)射性HMSNs-PEG靜脈內(nèi)注射到裸鼠和小鼠體內(nèi)立即成像（圖4）HMSNs-PEG從血流中迅速清除，在肺，肝和脾中可見強烈信號。注射后50分鐘，這些器官內(nèi)的信號強度保持恒定。

綜上所述，作者提出了IR-140的J-聚集體作為一種制備生物相容性、SWIR造影劑和在HMSN中穩(wěn)定NIR熒光團的這一概念。IR-140J聚集體的紅移吸收和發(fā)射以及小的斯托克斯位移允許在980 nm激發(fā)和1000?1700 nm采集的情況下成像，從而提供高分辨率的活體圖像。

參考文獻

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近紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system 

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀

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 恒光智影

          上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，專注于近紅外二區(qū)成像技術(shù)。致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供*的、一體化的成像解決方案。自主研發(fā)近紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng)-MARS。

          與基于可見光波長的傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，我們的技術(shù)側(cè)重于X射線、紫外、紅外、短波紅外、太赫茲范圍，可為腫瘤學(xué)、神經(jīng)學(xué)、心血管、藥代動力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，助力科技研發(fā)。

          同時，恒光智影還具備探針研發(fā)能力，我們已經(jīng)成功研發(fā)了超過15種探針，這些探針將廣泛地應(yīng)用于眾多生物科技前沿領(lǐng)域的相關(guān)研究中。