利用樹(shù)狀NIR-II花菁支持深度成像和精確手術(shù)

本文要點(diǎn)：高性能NIR-II熒光團(tuán)（1000–1700 nm）的分子設(shè)計(jì)面臨水性穩(wěn)定性差、量子產(chǎn)率低及腫瘤對(duì)比度不足等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本研究通過(guò)共價(jià)整合親水性花菁核心（Cy-NIR-II-NH₂），構(gòu)建代際可調(diào)的聚（L-賴(lài)氨酸）樹(shù)狀大分子（Cy-NIR-II-Gx）。該樹(shù)狀結(jié)構(gòu)抑制H-聚集并隔離水相淬滅，實(shí)現(xiàn)24.3倍量子產(chǎn)率提升（水中達(dá)0.802%）及48小時(shí)光照后>83%的光穩(wěn)定性保留。這些突破支持深層組織穿透與高對(duì)比度血管/淋巴成像，在特定場(chǎng)景中超越臨床批準(zhǔn)的吲哚菁綠（ICG）。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明：Cy-NIR-II-G8經(jīng)皮內(nèi)或靜脈給藥后，對(duì)皮下4T1乳腺腫瘤具有優(yōu)異靶向蓄積性——持續(xù)7天的瘤正比>5，滿(mǎn)足精準(zhǔn)切除的臨床導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)（羅斯判據(jù)），術(shù)中切緣勾勒明確，切除后信號(hào)近完全消除。此分子工程策略有效攻克NIR-II熒光團(tuán)核心難題，展現(xiàn)重大臨床轉(zhuǎn)化潛力。

方案1. 用于深部生物成像應(yīng)用的親水性NIR-II菁樹(shù)狀大分子（Cy-NIR II Gx）的設(shè)計(jì)和合成策略

 

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本研究報(bào)道新型NIR-II花菁染料（Cy-NIR-II-NH₂）的理性設(shè)計(jì)與合成，其伯胺基團(tuán)可增強(qiáng)水溶性并便于功能化修飾（方案1）。通過(guò)L-賴(lài)氨酸單體的迭代共價(jià)偶聯(lián)，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)可控的代際可調(diào)聚賴(lài)氨酸樹(shù)狀大分子（Cy-NIR-II-Gx）。精準(zhǔn)代際調(diào)控（G0至G8）有效抑制了Cy-NIR-II-NH₂在水相中的H-聚集，并通過(guò)樹(shù)狀外殼的剛性隔離效應(yīng)顯著降低水分子碰撞導(dǎo)致的非輻射弛豫，同步提升溶解性、熒光亮度與光穩(wěn)定性。進(jìn)一步在高分辨率血管成像及淋巴顯影中驗(yàn)證其生物醫(yī)學(xué)價(jià)值，最終實(shí)現(xiàn)原位4T1乳腺腫瘤的熒光導(dǎo)航精準(zhǔn)切除，術(shù)中切緣清晰勾勒。

 

圖1. 水溶性易改性NIR-II菁染料的合成與光物理表征

 

基于2-甲基苯并[cd]吲哚衍生物與聚次甲基橋鏈構(gòu)建親水性D-π-A骨架，本研究設(shè)計(jì)出新型NIR-II花菁染料（圖1a）。以苯并[cd]吲哚-2(1H)-酮為起始物，通過(guò)格氏加成與克腦文格爾縮合等關(guān)鍵步驟高效合成，成功精準(zhǔn)安裝雙伯胺基團(tuán)——該步驟極具挑戰(zhàn)性（核心結(jié)構(gòu)與末端官能團(tuán)易降解）——從而增強(qiáng)水溶性并支持胺反應(yīng)性連接臂修飾。

Cy-NIR-II-NH₂光物理表征顯示（圖1b）：980 nm激發(fā)下，DMSO中最大吸收峰≈990 nm（摩爾吸光系數(shù)ε=1.36×10⁵ M⁻¹ cm⁻¹），發(fā)射峰1044 nm且譜帶覆蓋1000-1350 nm（延伸至NIR-IIa區(qū)），證實(shí)NIR-II成像能力。相較于多數(shù)NIR-II染料水溶性差的問(wèn)題，Cy-NIR-II-NH₂溶解性與臨床批準(zhǔn)藥物ICG相當(dāng)，優(yōu)于商用染料IR-26/IR-1048（圖1c,）；其水溶液在800 nm處出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，歸因于疏水苯并[cd]吲哚-聚次甲基骨架通過(guò)面對(duì)面堆疊形成H-聚集物——此為平面花菁染料水相特征行為。

通過(guò)TDDFT計(jì)算（B3LYP/6-31+G(d)水平）對(duì)比Cy-NIR-II-NH₂與ICG（二者結(jié)構(gòu)相似）的原子排布影響（圖1d）：兩染料HOMO軌道均分布于苯環(huán)原子，能級(jí)相近；差異在于ICG的LUMO僅少量分布于苯并[e]吲哚環(huán)，而Cy-NIR-II-NH₂的LUMO離域于整個(gè)共軛鏈致能級(jí)顯著降低。更低的S0-S1激發(fā)能與更高重組能驗(yàn)證其相對(duì)ICG的紅移趨勢(shì)，振子強(qiáng)度與高吸光系數(shù)吻合。Cy-NIR-II-NH₂輻射衰變速率較低導(dǎo)致量子產(chǎn)率（QY）弱于ICG，但理論證實(shí)兩染料S1激發(fā)均主要源于HOMO→LUMO躍遷——在LUMO主要分布的共軛聚次甲基鏈周?chē)鷺?gòu)建隔離微環(huán)境，可有效阻斷水分子相互作用，減少非輻射能量轉(zhuǎn)移，從而提升水相熒光QY。

以IR-26（二氯乙烷中0.05%）為參照，測(cè)得Cy-NIR-II-NH₂熒光QY為0.033%（圖1e-g），與多數(shù)NIR-II納米材料相當(dāng)，滿(mǎn)足活體成像需求。該染料集NIR-II光學(xué)特性、增強(qiáng)水溶性與易修飾性于一體，在NIR-II熒光成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中潛力顯著。

圖2. 樹(shù)狀Cy-NIRⅡ的合成及光物理性質(zhì)

 

使Cy-NIR-II-NH₂與Boc保護(hù)賴(lài)氨酸五氟苯酯反應(yīng)生成第一代樹(shù)狀前體，經(jīng)Boc脫保護(hù)制得Cy-NIR-II-G1（圖2a）。通過(guò)賴(lài)氨酸偶聯(lián)（Boc-Lys(Boc)-OPFP）與脫保護(hù)循環(huán)迭代，逐級(jí)合成高階樹(shù)狀大分子（Cy-NIR-II-Gx），最終獲得第八代產(chǎn)物Cy-NIR-II-G8。所有結(jié)構(gòu)經(jīng)高分辨質(zhì)譜/MALDI-TOF-MS及核磁嚴(yán)謹(jǐn)表征（圖2b），實(shí)驗(yàn)值與理論預(yù)測(cè)高度吻合，證實(shí)各代結(jié)構(gòu)完整性。HPLC分析顯示單一尖銳峰（圖2b），保留時(shí)間隨代際升高系統(tǒng)性縮短（G0:18.5分鐘→G8:10.4分鐘），歸因于累積表面氨基增強(qiáng)的分子極性——該單峰洗脫特征確證無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷及副產(chǎn)物，保障生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用可重復(fù)性。凝膠滲透色譜（GPC）進(jìn)一步驗(yàn)證單分散性：保留時(shí)間隨代際增加而降低（G4:16.5分鐘→G8:14.3分鐘），符合分子量增大導(dǎo)致的流體動(dòng)力學(xué)半徑擴(kuò)張；多分散指數(shù)（PDI=1.030–1.078）證實(shí)分子量分布均一。透射電鏡（TEM）顯示Cy-NIR-II-G8為單分散球形納米粒（直徑14.4±0.4 nm，高斯擬合，圖2d）；動(dòng)態(tài)光散射（DLS）測(cè)得流體動(dòng)力學(xué)直徑≈20 nm（圖S33），歸因于水化溶劑化效應(yīng)。綜上，該NIR-II樹(shù)狀大分子具備結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)、尺寸可調(diào)及優(yōu)異單分散性，彰顯其作為可重復(fù)性生物醫(yī)學(xué)制劑的顯著潛力。

隨后探究樹(shù)狀大分子在水溶液中的光學(xué)特性：隨著樹(shù)狀大分子生成量的增加，吸收最大值逐漸紅移從≈800 nm（G0）紅移至960 nm（G2）后趨于穩(wěn)定（圖2e），所有代際均保持≈10⁵ M⁻¹ cm⁻¹的高吸光系數(shù)。此紅移歸因于樹(shù)狀結(jié)構(gòu)表面親水性增強(qiáng)削弱疏水作用，從而解離H-聚集體——代表一種抑制水相H-聚集的創(chuàng)新分子工程策略。熒光特性亦呈代際依賴(lài)性：隨代際升高，發(fā)射強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)（圖2f），量子產(chǎn)率（QY）從0.033%（G0）提升至0.802%（G8），增幅達(dá)24.3倍（圖2g）。該QY值顯著超越IR-26等參照染料及水溶性NIR-II染料（如CH-1055-PEG），NIR-II成像下水溶液亮度增強(qiáng)直觀驗(yàn)證此效應(yīng)（圖2h）。

光穩(wěn)定性對(duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要�；ㄝ既玖系木鄞渭谆鶚蜴溡资軉尉�(xiàn)態(tài)氧（¹O₂）介導(dǎo)的光氧化切割，而樹(shù)狀大分子的聚賴(lài)氨酸（PLL）封裝形成空間位阻屏蔽，阻斷染料核心與¹O₂接觸。短期激光照射下，Cy-NIR-II-G8溶液保持穩(wěn)定熒光強(qiáng)度與成像亮度（圖2i,j），性能優(yōu)于ICG；低代樹(shù)狀分子（G0-G2）亦展現(xiàn)微弱光降解。48小時(shí)可見(jiàn)光照射實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證：ICG降解率達(dá)87.2%，而Cy-NIR-II-G8僅降低17.8%（圖2k）。低代類(lèi)似物因H-聚集體包埋熒光團(tuán)限制¹O₂接觸而維持高穩(wěn)定性；高代樣品雖解聚削弱此效應(yīng)，但PLL封裝通過(guò)空間排斥氧化物質(zhì)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。此雙機(jī)制協(xié)同作用（聚集保護(hù)與大分子屏蔽）印證了水相中樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的代際演化規(guī)律。

Cy-NIR-II-G8集高NIR-II熒光亮度、精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)控制與卓越光穩(wěn)定性于一體，為破解NIR-II熒光團(tuán)水相穩(wěn)定性與光學(xué)性能的固有矛盾提供了有效策略。

圖3. 模擬組織模型的深部組織穿透評(píng)估

 

熒光探針的組織穿透能力決定著活體成像效能。本研究利用NIR-II熒光長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)帶來(lái)的深層光子穿透優(yōu)勢(shì)，通過(guò)定制InGaAs相機(jī)系統(tǒng)在1%脂乳仿體中對(duì)Cy-NIR-II-Gx樹(shù)狀分子進(jìn)行穿透深度定量評(píng)估（圖3a）。垂直浸入的含樹(shù)狀分子溶液毛細(xì)管經(jīng)激光激發(fā)后，呈現(xiàn)代際依賴(lài)性穿透特征：基于低代樹(shù)狀分子的顯著H-聚集效應(yīng)及G4代起量子產(chǎn)率（QY）的躍升（圖2g），選取G4-G8（980 nm激發(fā)）與吲哚菁綠（ICG，808 nm激發(fā)）對(duì)比分析。

隨著深度增加，所有熒光信號(hào)均衰減且毛細(xì)管輪廓模糊，但僅Cy-NIR-II-G8在6 mm深度仍呈現(xiàn)清晰邊緣（圖3b）。通過(guò)截面強(qiáng)度分布與高斯擬合定量，以信背比（SBR）>2.0且可分辨毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的最大深度定義為穿透深度：Cy-NIR-II-G8達(dá)6 mm，顯著優(yōu)于低代樹(shù)狀分子（4-5 mm）及ICG（3 mm）（圖3c）。在>4 mm深度，樹(shù)狀分子半高寬（FWHM）保持穩(wěn)定，而ICG從3 mm起顯著展寬（圖3d）。

熒光強(qiáng)度衰減曲線(xiàn)的指數(shù)擬合顯示，樹(shù)狀分子光學(xué)衰減系數(shù)（τ）隨代際升高系統(tǒng)性降低（G4:0.7955 → G8:0.5089），顯著低于ICG（0.8974）（圖3e）。此衰減減弱源于雙重機(jī)制：① 瑞利定律主導(dǎo)的光子散射減少——較長(zhǎng)NIR-II發(fā)射波長(zhǎng)（1000-1350 nm）最小化散射事件；② 代際依賴(lài)性QY提升增強(qiáng)信號(hào)補(bǔ)償，G8的高QY通過(guò)增加光子通量抵消傳播損耗。Cy-NIR-II-G8因此在納摩爾濃度下實(shí)現(xiàn)卓越組織穿透與高對(duì)比度成像，確立為深層組織NIR-II生物成像的理想探針。

圖4. 樹(shù)狀Cy-NIR-II分子 G8與ICG的NIR-II血管造影

 

近紅外熒光成像是心血管疾病（CVD）診療的關(guān)鍵技術(shù)，其深層組織分子可視化能力可靈敏檢測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊成分（脂質(zhì)、炎癥標(biāo)志物）——這些結(jié)構(gòu)成像（如CT/超聲）無(wú)法穿透血液散射揭示的特征，卻是心血管不良事件的核心預(yù)測(cè)因子�；�于此，研究者評(píng)估了Cy-NIR-II-G8的活體空間分辨率：BALB/c裸鼠靜脈注射后實(shí)時(shí)NIR-II成像顯示（圖4a），5秒內(nèi)熒光精準(zhǔn)定位尾靜脈；10秒經(jīng)靜脈回流至心腔；15秒頸動(dòng)脈全身擴(kuò)散；20秒部分肝蓄積；60秒完成全身血管高清成像。1分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)從局部靜脈到全身血管的快速可視化，滿(mǎn)足臨床快速診斷需求。

在腦、頸、腹、后肢四部位與ICG對(duì)比證實(shí)Cy-NIR-II-G8的血管成像優(yōu)勢(shì)（圖4b-e）：高斯擬合顯示其信背比（SBR=1.27-1.81）顯著高于ICG（1.12-1.51），半高寬（FWHM=0.367-0.664 mmvs ICG's 0.606–0.847 mm）更窄。即使在厚組織顱骨區(qū)域仍可分辨血管，而ICG因短波長(zhǎng)散射嚴(yán)重且肝攝取快完全失效。Cy-NIR-II-G8注射后血管信號(hào)清晰維持超1小時(shí)，凸顯其長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。該探針僅需20 nmol劑量、0.2 W cm⁻²激光功率及≤100 ms曝光，即可在微創(chuàng)條件下實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度血管成像。其卓越性能源于三大本質(zhì)特性：快速全身分布與穩(wěn)定循環(huán)動(dòng)力學(xué)、NIR-II窗口內(nèi)散射抑制、高量子產(chǎn)率——這些協(xié)同效應(yīng)使Cy-NIR-II-G8成為臨床實(shí)時(shí)影像導(dǎo)航介入治療的理想制劑。

圖5. 樹(shù)狀Cy-NIR II- G8的體內(nèi)淋巴NIR-II成像和腫瘤蓄積

 

前哨淋巴結(jié)（SLN）檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)選擇性切除，規(guī)避了為預(yù)防轉(zhuǎn)移進(jìn)行全淋巴結(jié)清掃術(shù)引發(fā)的淋巴水腫等并發(fā)癥。當(dāng)前SLN定位通常依賴(lài)放射性同位素和/或藍(lán)染料識(shí)別最可能轉(zhuǎn)移的淋巴結(jié)，但存在明顯局限：放射性同位素存在安全隱患，而藍(lán)染料在可見(jiàn)光窗口下組織穿透性差。近紅外（NIR）導(dǎo)航系統(tǒng)憑借更高淋巴結(jié)定位精度和更小切口，可優(yōu)化術(shù)中引導(dǎo)并加速術(shù)后恢復(fù)，但NIR-I光學(xué)成像仍面臨光漂白、組織自發(fā)熒光及探測(cè)深度不足的挑戰(zhàn)。

為評(píng)估Cy-NIR-II-G8的SLN成像性能并驗(yàn)證NIR-II熒光團(tuán)優(yōu)勢(shì)，在荷4T1腫瘤的BALB/c裸鼠雙側(cè)后爪皮內(nèi)注射Cy-NIR-II-G8或吲哚菁綠（ICG）。熒光成像顯示：Cy-NIR-II-G8注射后2小時(shí)內(nèi)即可清晰追蹤淋巴結(jié)間集合淋巴管、坐骨淋巴結(jié)及腘淋巴結(jié)（圖5a）；8小時(shí)后淋巴管信號(hào)減弱而淋巴結(jié)熒光持續(xù)，腫瘤區(qū)域出現(xiàn)蓄積；48小時(shí)腫瘤信號(hào)達(dá)峰值并維持至72小時(shí)（圖5c）。ICG雖可檢測(cè)淋巴結(jié)，但無(wú)法分辨淋巴管。橫向血管高斯分析證實(shí)Cy-NIR-II-G8憑借NIR-II窗口散射減弱，信背比（1.41 vs ICG 1.18）更高、半高寬（0.361 mm vs 0.619 mm）更窄（圖5b）。

Cy-NIR-II-G8通過(guò)皮內(nèi)注射實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度淋巴系統(tǒng)成像及長(zhǎng)效腫瘤滯留，這歸因于其增強(qiáng)的NIR-II量子產(chǎn)率與光穩(wěn)定性。上述特性為長(zhǎng)期觀測(cè)（如影像導(dǎo)航手術(shù)）提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖6. 樹(shù)狀Cy-NIR II- G8的體內(nèi)腫瘤聚集和NIR-II圖像引導(dǎo)手術(shù)

 

為評(píng)估Cy-NIR-II-G8在腫瘤長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)切除導(dǎo)航中的整合效能，對(duì)4T1荷瘤小鼠靜脈注射該制劑并持續(xù)NIR-II熒光追蹤，最終實(shí)施影像引導(dǎo)腫瘤切除（圖6a）。樹(shù)狀分子經(jīng)優(yōu)化的流體動(dòng)力學(xué)直徑規(guī)避了腎快速清除，同時(shí)通過(guò)增強(qiáng)滲透滯留（EPR）效應(yīng)及轉(zhuǎn)胞吞介導(dǎo)的腫瘤內(nèi)滲實(shí)現(xiàn)納米粒靶向遞送（圖6b）。腫瘤熒光強(qiáng)度隨時(shí)間持續(xù)升高，注射48小時(shí)達(dá)峰值瘤正比（T/NT）>5，并維持超7天。該持續(xù)信號(hào)超越羅斯判據(jù)閾值（SBR=5），實(shí)現(xiàn)清晰切緣勾勒（圖6f）。

注射7天后，基于Cy-NIR-II-G8的強(qiáng)NIR-II信號(hào)實(shí)施影像導(dǎo)航切除：術(shù)中瘤-正常組織邊界分明（圖6d），切除后熒光降至肌組織本底水平（圖6e），定量分析顯示瘤正比從5.10降至1.13（圖6f）。注射48小時(shí)生物分布證實(shí)腫瘤特異性蓄積，脾肝僅見(jiàn)微弱信號(hào)（圖6g,h），瘤肝比>2.5。此靶向蓄積特性顯著區(qū)別于傳統(tǒng)NIR-II熒光團(tuán)（主要富集于肝脾網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)）。該研究確立Cy-NIR-II-G8為一體化納米平臺(tái)：憑借尺寸優(yōu)化的體內(nèi)分布特性提供符合臨床導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)對(duì)比度，集腫瘤長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)切除導(dǎo)航功能于一體。

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本研究首次創(chuàng)造性構(gòu)建了以近紅外二區(qū)花菁染料（Cy-NIR-II-NH₂）為核的聚L-賴(lài)氨酸樹(shù)狀大分子（Cy-NIR-II-Gx）。該設(shè)計(jì)在保留花菁染料本征NIR-II光學(xué)特性的同時(shí)，通過(guò)隔離水環(huán)境的干擾確保膠體穩(wěn)定性。代際生長(zhǎng)賦予可編程光物理特性：樹(shù)狀枝接增強(qiáng)分子分散性，空間位阻屏蔽破壞H-聚集（吸收紅移至960nm），協(xié)同將熒光量子產(chǎn)率提升24.3倍（水中達(dá)0.802%）并實(shí)現(xiàn)卓越光穩(wěn)定性（48小時(shí)光照后信號(hào)保留>83%）。優(yōu)化后的Cy-NIR-II-G8兼具NIR-II發(fā)射與優(yōu)越腫瘤靶向蓄積能力，達(dá)成深層組織穿透（仿體6mm，兩倍于ICG）及亞0.4mm血管分辨率，支撐多功能生物成像：實(shí)時(shí)血流動(dòng)力學(xué)追蹤、高對(duì)比度淋巴顯影、持續(xù)瘤正比>5長(zhǎng)達(dá)7天的腫瘤長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)。其符合精準(zhǔn)腫瘤切除的臨床導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)（羅斯判據(jù)，SBR=5），經(jīng)清晰切緣勾勒與切除后信號(hào)近完全消除驗(yàn)證（瘤正比≈1.13）。該可編程樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以尺寸可調(diào)和表面氨基豐富為特征，支持定制化細(xì)胞內(nèi)核化，并為靶向分子（如抗體、多肽）偶聯(lián)提供多功能位點(diǎn)，推進(jìn)影像導(dǎo)航治療。此項(xiàng)工作通過(guò)融合NIR-II花菁光子學(xué)與樹(shù)狀納米技術(shù)，建立了突破NIR-II染料"溶解性-亮度-穩(wěn)定性"平衡困境的多功能診療平臺(tái)，連接術(shù)中導(dǎo)航與術(shù)后監(jiān)測(cè)，推動(dòng)精準(zhǔn)癌癥醫(yī)學(xué)發(fā)展。

 

參考文獻(xiàn)

He, Bo, et al. "Dendritic NIR‐II Cyanines Enable Deep Imaging and Precise Surgery." Small (2025): e09826.

 

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恒光智影，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)域的研究提供先進(jìn)的、一體化的成像解決方案。

專(zhuān)注動(dòng)物活體成像技術(shù)，成像范圍覆蓋 400-1700 nm，同時(shí)可整合CT, X-ray，超聲，光聲，光熱成像等技術(shù)。

可為腫瘤藥理、神經(jīng)藥理、心血管藥理、大分子藥代動(dòng)力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，為用戶(hù)提供前沿的生物醫(yī)藥與科學(xué)儀器服務(wù)。