科學(xué)家可以通過熒光成像等非侵入性光學(xué)方法監(jiān)測(cè)活組織中的生物分子過程。然而，用于此目的的熒光染料通常相當(dāng)不穩(wěn)定，光漂白、缺乏特異性和較差的藥代動(dòng)力學(xué)是反復(fù)出現(xiàn)的問題。

現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種分子盾牌，可以穩(wěn)定近紅外熒光染料，并增強(qiáng)其功能性，其合成和表征的研究成果發(fā)表在《Angewandte Chemie》期刊上。

熒光生物成像通常使用近紅外光區(qū)域，因?yàn)檫@種輻射可以有效地穿透人體組織。為此目的設(shè)計(jì)的熒光染料通常具有扁平、對(duì)稱的分子結(jié)構(gòu)，這有利于近紅外光的吸收，但染料也需要是水溶性的，并攜帶用于與靶向生物分子（如抗體或腫瘤結(jié)合肽）偶聯(lián)的官能團(tuán)，這類熒光染料中的一種名為七甲基菁，或Cy7，目前正在研究其在外科中的應(yīng)用。

然而，Cy7分子也有其缺點(diǎn)，光吸收發(fā)色團(tuán)容易受到氧自由基的影響，從而導(dǎo)致漂白。此外，扁平的剛性分子可能聚集在一起，并與其他生物分子非特異性地相互作用，這會(huì)減緩它們從體內(nèi)的清除速度。為了解決這些問題，美國(guó)圣母大學(xué)的布拉德利·D·史密斯(Bradley D.Smith)和研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了染料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。為了保護(hù)七甲基胺發(fā)色團(tuán)不受氧氣攻擊，研究引入了一個(gè)龐大而智能的盾牌。

在發(fā)色團(tuán)中央部分的頂部附加了一個(gè)龐大的芳香族基團(tuán)，并為這個(gè)頂層基團(tuán)配備了長(zhǎng)的屏蔽臂，突出在發(fā)色團(tuán)的兩個(gè)面上，就像一只鳥用翅膀覆蓋著它的巢穴。由此產(chǎn)生的染料，科學(xué)家們稱之為“立體屏蔽的七甲基菁染料”或s775z，是水溶性的，并提供穩(wěn)定的熒光，屏蔽的架構(gòu)防止了聚集和光漂白。這種染料對(duì)化學(xué)降解非常穩(wěn)定，可以“無(wú)限期”儲(chǔ)存在普通冰箱中。

研究人員還在活體老鼠身上進(jìn)行了成像研究，發(fā)現(xiàn)與所有其他研究的染料相比，s775z沒有在血液清除器官中積聚，但很快就被沖出了體內(nèi)。此外，S775z的癌癥靶向版本在腫瘤中積累了很高的水平，并可以通過活鼠的熒光成像進(jìn)行可視化。S775z染料可將用于廣泛的生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用，從平面分子到三維屏蔽結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，是讓這類近紅外熒光染料更穩(wěn)定、更高效的關(guān)鍵。

熒光七甲基菁染料近紅外窗口對(duì)光有很深的穿透力，背景熒光可以忽略不計(jì)，極大地方便了生物成像。然而，染料的不穩(wěn)定性、聚集性和較差的藥代動(dòng)力學(xué)是目前限制其性能和可能應(yīng)用范圍的缺點(diǎn)。所有這些限制都被一種新的分子設(shè)計(jì)策略同時(shí)克服，這種策略可以產(chǎn)生電荷平衡和空間屏蔽的熒光色素。主要的設(shè)計(jì)特征是一個(gè)中位芳基，它同時(shí)將兩個(gè)屏蔽臂直接突出在線性七甲基多烯的每個(gè)面上。

細(xì)胞和小鼠成像實(shí)驗(yàn)將屏蔽的七甲基菁染料（以及幾種肽和抗體的生物結(jié)合物）與基準(zhǔn)的七甲基染料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)屏蔽體系具有無(wú)與倫比的光物理、物理化學(xué)和生物分布特性的組合，極大地提高了生物成像性能。

博科園｜研究/來自：Wiley

研究發(fā)表期刊《Angewandte Chemie》

DOI: 10.1002/anie.202004449

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