雙通道高分辨率活體成像技術(shù)短波紅外納米帶實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測深層組織

該研究由Cheng Yao、Ruwei Wei、Xiao Luo、Jinquan Chen、Xuhong Qian、Youjun Yang等學(xué)者共同完成，研究成果以“A stable and biocompatible shortwave infrared nanoribbon for dual-channel in vivo imaging”為題，于2025年1月在線發(fā)表。研究團隊通過理性設(shè)計雙苯并硅羅丹明骨架（ESi5），構(gòu)建了具有V型鏈內(nèi)堆積和J型鏈間堆積的雙層納米帶結(jié)構(gòu)，其獨特的光學(xué)特性為深組織成像技術(shù)提供了新的解決方案。

重要發(fā)現(xiàn)
01晶體引導(dǎo)的聚集體結(jié)構(gòu)設(shè)計
研究團隊通過分析ESi5染料在不同反離子（Cl⁻和PF₆⁻）條件下的晶體堆積模式，發(fā)現(xiàn)兩種截然不同的聚集行為：Cl⁻條件下形成經(jīng)典的HJ型堆積，而PF₆⁻條件下則出現(xiàn)夾角為121.1°的V型二聚體鏈內(nèi)堆積，鏈間呈現(xiàn)51.7°滑移角的J型堆積，這種新型結(jié)構(gòu)被命名為JV-聚集體�；�于此發(fā)現(xiàn)，團隊在ESi5的電子推拉頭基引入親水鏈（磺酸基或羧基），使其在水相中自發(fā)組裝成雙層納米帶。

03形態(tài)演化與穩(wěn)定性突破
透射電鏡和冷凍電鏡顯示，ESi5-S聚集體在24小時內(nèi)從7.7 nm顆粒逐漸生長為寬度達(dá)116.2 nm的柔性納米帶。原子力顯微鏡測得厚度約3.4 nm，與雙分子層模型高度吻合。該聚集體表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性：在6%甲醇濃度以下保持結(jié)構(gòu)完整，耐受超聲處理、pH變化（4-10）及活性氧攻擊（50 μM ONOO⁻僅導(dǎo)致10.5%信號衰減）。更引人注目的是，加熱/退火循環(huán)可逆地調(diào)節(jié)聚集度，且能通過消除缺陷提升偶極耦合強度。

04雙通道活體成像驗證
通過尾靜脈注射ESi5-S聚集體（2.5 mg/kg）至BALB/c小鼠，團隊實現(xiàn)了808 nm（單體激發(fā)）和1064 nm（聚集體激發(fā)）雙通道成像。聚集體在骨骼區(qū)域呈現(xiàn)特異性富集，椎體與軟組織信號比達(dá)3.9，而單體信號僅見于肝臟和腸道代謝途徑。線強度分析可清晰分辨0.89 mm胸骨和1.80 mm脛骨結(jié)構(gòu)，證明了其高空間分辨率成像能力。

創(chuàng)新與亮點
01方法論突破：從隨機到理性的聚集控制
CAASH策略首次將晶體工程理念引入染料聚集設(shè)計，通過預(yù)先解析單體晶體的堆積規(guī)律，指導(dǎo)水相中聚集路徑的選擇。這一方法克服了傳統(tǒng)J-聚集體制備依賴經(jīng)驗試錯的局限性，為可控合成SWIR活性材料提供了新范式。

02技術(shù)瓶頸破解：穩(wěn)定性與生物相容性兼得
研究通過精準(zhǔn)調(diào)控兩親性分子結(jié)構(gòu)，使聚集體在保持SWIR活性的同時，抵御生物環(huán)境中溶劑、pH、活性氧等多重挑戰(zhàn)。其熔融溫度達(dá)74℃，且加熱-退火可逆循環(huán)達(dá)20次以上，遠(yuǎn)超已知有機SWIR染料的穩(wěn)定性極限。

03應(yīng)用價值重構(gòu)：雙通道成像揭示代謝動力學(xué)
利用聚集體與單體在尺寸、電荷及代謝途徑上的差異，首次實現(xiàn)同一染料在體內(nèi)的分布與代謝實時追蹤。骨骼靶向特性為骨科疾病診斷提供新工具，而肝腸代謝監(jiān)測則為藥物遞送研究開辟新視角。

總結(jié)與展望
本研究通過CAASH策略成功構(gòu)建了具有JV型堆積的短波紅外納米帶，解決了有機SWIR材料在生物應(yīng)用中穩(wěn)定性差與功能單一的核心難題。其雙通道成像能力不僅提升了深組織成像的分辨率，更通過聚集體-單體代謝差異的動態(tài)監(jiān)測，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供了新的觀測維度。未來，該平臺可通過調(diào)控分子結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化光學(xué)性能，并探索與其它聚集體的 multiplexed 成像，在腫瘤手術(shù)導(dǎo)航、神經(jīng)活動監(jiān)測等前沿領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。隨著材料設(shè)計與成像技術(shù)的深度融合，這類理性設(shè)計的納米聚集體有望成為生物醫(yī)學(xué)檢測工具箱中的關(guān)鍵組件。

DOI:10.1038/s41467-024-55445-x.