引言

溃疡性结肠炎（UC）是一种复发性炎症性肠病（IBD），IBD的实时光学成像面临的主要挑战是肠道内的高NIR-I自身荧光和有限的穿透深度。大量的NIR-II荧光探针已被广泛探索并用于在临床前动物模型中研究创伤性脑损伤、心血管疾病、肝损伤和成像引导手术。然而，这些探针要么含有有毒的重金属离子，要么体内清除效率较差，从而阻碍了它们在临床的应用。相比之下，小分子NIR-II荧光团显示出极好的结构修饰潜力，能够快速排泄。可激活的NIRF-II探针由于仅在生物标记物存在的情况下产生信号，因此获得了越来越多的研究关注。

供体-π-受体（D−π−A）的不对称半花菁具有更高的量子产率和更好的结构灵活性来构建可激活探针。使用多烯桥来修饰罗丹明型荧光团，使其荧光发射向NIR-II窗口移动；然而，多烯桥的顺反异构和增加的灵活性导致了水溶液中量子产率降低。因此，NIRF-II半花菁骨架的开发对于加速可激活NIR-II成像的转化进展至关重要，但分子设计尚未报道。

成果简介

目前，中山大学药学院黄佳国教授课题组联合南京邮电大学谢晨教授和范曲立教授团队在《ACS Nano》上发表了题为“Molecular Engineering of Activatable NIR-II Hemicyanine Reporters for Early Diagnosis and Prognostic Assessment of Inflammatory Bowel Disease”的文章。作者报道了一个半花菁支架（HBCs）库，其发射光谱可调至NIR-II窗口（715-1188 nm），并且其荧光结构适合构建可激活探针。具有1088 nm峰值发射的代表性探针HBC4在组织穿透深度方面优于NIRF-I半花菁HC1。HBC4能够清晰地识别活体小鼠的肠道，而这是HC1无法实现的。可激活的炎症报告因子（AIR-PE）是通过将HBC4支架和盐酸盐（HClO）响应部分包起来，与炎症相关转运蛋白PepT1靶向三肽结合，并包封到聚乳酸-乙醇酸（PLGA）和甲基丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯共聚物中，用于pH触发的结肠特异性释放而进一步构建的。经口服灌胃到携带IBD的活小鼠后，AIR-PE可以在结肠中积聚以释放AIR^-，AIR^-与受刺激的中性粒细胞和巨噬细胞产生的升高的ClO^-反应，在炎症部位释放其NIRF-II信号，从而实现IBD的实时无创诊断和预后监测。

图文解读

图1 用于实时NIRF-II成像和无创纵向分析的原位主动传感方法的设计，用于炎症性肠病的早期诊断和预后评估。(a)显示AIR-PE对IBD早期诊断和预后评估的机制示意图。(b)AIR-PE的化学结构及其活化形式AIR−OH对结肠pH和HClO的反应。(c)显示AIR-PE监测IBD治疗反应机制的方案。

图2 半花菁NIR-II 荧光团。(a)由三个调节域组成的半花菁支架的模块化。(b)半花菁染料的分子轨道。(c)计算了所选的半花菁染料的HOMO/LUMO能隙（ΔE）。(d)在二氯甲烷中的吸光度和发射(e)光谱。(f) HBC和ICG在PBS中的光稳定性。

图3 组织穿透度和成像灵敏度。(a)组织穿透研究示意图。(b)含有HC1（20 μg/mL）和HBC4（20 μg/mL）溶液的毛细管在样品顶部覆盖所需厚度的脂质内的代表性荧光图像。(c) 用于HC1和HBC4的荧光成像的SBR作为(b)中脂质内深度的功能。(d)成像灵敏度研究的示意图。（e，f）口服或静脉注射PBS、HC1和HBC4后，活小鼠腹侧和粪便样本的代表性NIRF-I和NIRF-II图像。(g)腹膜的SBR和(h)接受静脉注射PBS、口服HB1或HBC1-PE或静脉注射HBC4和HC1。(i)口服HBC4-PE或静脉注射HBC4的活小鼠的肠-肝信号比。

图4 AIR-PE的设计、合成和表征。(a) AIR-PE合成路线、试剂和条件。（b，c）在无ClO⁻时AIR-PE在PBS中的吸收和荧光光谱。(d)在37°C的PBS中孵育后，AIR-PE在1088 nm处的荧光变化。(e) AIR-PE（10 μM）在1088 nm处的NIRF-II强度作为ClO⁻浓度的函数。(f) AIR-PE不同pH缓冲液下中AIR的体外释放曲线。（g，h）NIRF-II在不同pH缓冲溶液中改变AIR-PE和AIR-OH的倍数。(i)在没有或存在ClO⁻的情况下，HPLC痕量AIR-PE。(j)AIR的总粪便和肾脏排泄效率。

图5 IBD的实时NIRF-II成像和纵向分析。(a) DSS诱导的IBD小鼠模型和不同治疗后时间点的成像/分析示意图。(b) AIR-PE的IBD成像/分析的机制示意图。(c)在不同治疗后时间点口服AIR-PE后活小鼠的代表性NIRF-II图像。(d) DSS处理后不同时间点活小鼠肠道动态NIRF-II强度随AIR-PE或AIR-PE或AIR-C-PE灌胃时间的变化。(e)在DSS治疗后的不同时间点，灌胃AIR-PE或AIR-C-PE后的t = 6 h，活小鼠肠道的NIRF-II强度。(f) NIRF-II图像和(g)不同组的活小鼠粪便中排出的AIR−OH的信号定量。(h) DSS治疗后不同时间NIRF-II成像和分析、体重、FOBT、免疫荧光染色信号、结肠长度和细胞因子（TNF-α和IL-1β）的变化倍数。

总结展望

总之，作者报道了一系列半花菁（HBC）支架库，其可调发射到NIR-II窗口（715−1188 nm），并在结构上易于构建可激活探针。特别是，HBC4和HBC5具有超过1050 nm的长发射，能够提高组织穿透深度和肠道定位的信号和背景比。进一步构建了一种可激活炎症报告基因（AIR-PE），用于结肠中pH触发的位点特异性释放。由于最大限度地减少了背景干扰，口服灌胃AIR-PE可以通过实时NIRF-II成像来评估炎症性肠病（IBD）小鼠模型的治疗反应。得益于AIR-PE具有较高的粪便清除率（>90%），还可以通过体外光学分析检测IBD并评价结肠炎治疗的有效性，优于典型的粪便潜血检测和组织学检查等临床检测方法。因此，本研究提出了NIR-II分子支架，不仅适用于开发用于深层疾病的早期诊断和预后监测的多功能可激活探针，而且为未来的临床转化提供了希望。

文献链接

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c13105

转自Yaolab HNU公众号