光學(xué)成像（Optical Imaging），由于其具有非侵入性、實時、快速反饋和高靈敏度的優(yōu)點，在生物醫(yī)學(xué)分析中起著至關(guān)重要的作用。然而，由于復(fù)雜生物器官和組織中的內(nèi)源性熒光團(tuán)（黑色素，彈性蛋白，膠原蛋白，角蛋白，卟啉和黃素等）在外部輻射激發(fā)下會產(chǎn)生自發(fā)熒光，這使得活體熒光成像背景信號升高，從而限制了成像的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。因此，生物發(fā)光成像（Bioluminescence Imaging）由于其優(yōu)異的生物相容性以及不需要外部激發(fā)光的特點受到了極大關(guān)注。迄今為止，生物發(fā)光成像已被廣泛用于跟蹤細(xì)胞，監(jiān)測基因表達(dá)，檢測生物活性小分子，腫瘤成像等領(lǐng)域。然而，常規(guī)的基于熒光素酶（Luciferase）的生物發(fā)光探針發(fā)射波長大多位于可見光范圍（VIS，400 nm-700nm），這使得在將其應(yīng)用于生物成像時會受到生物組織的吸收和散射干擾，難以獲理想的成像結(jié)果。盡管通過生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（Bioluminescence resonance energy transfer (BRET)）策略，生物發(fā)光探針的發(fā)射波長能夠被拓展到具有較低組織吸收的近紅外第一窗口（NIR-I，700 nm-900 nm）。但散射效應(yīng)仍然是一個障礙。近年來的研究表明在近紅外第二窗口（NIR-II，1000-1700 nm）生物組織具有較小的吸收和散射。因此開發(fā)發(fā)射波長位于近紅外第二窗口的生物發(fā)光探針將有利于提高生物活體成像穿透深度和信噪比，具有重要的應(yīng)用價值。
為了解決這一挑戰(zhàn)，復(fù)旦大學(xué)張凡教授研究團(tuán)隊設(shè)計合成了一種新型七甲川菁染料FD-1029。該染料的發(fā)射波長位于近紅外第二窗口（1029 nm），且分子間具有較大的空間位阻，在較高濃度下不易發(fā)生聚集，能夠擁有較大的摩爾消光系數(shù)。在這基礎(chǔ)上，通過一步生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（BRET）和兩步熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）的設(shè)計策略實現(xiàn)了發(fā)射位于近紅外第二窗口的新型生物發(fā)光探針（NIR-II-Bioluminescence Probes, NIR-II-BPs）。
該探針具有良好的生物相容性，成功應(yīng)用于小鼠的血管和淋巴管的高信噪比成像。同時，由于這種能量傳遞策略的可調(diào)性，這類探針也能應(yīng)用于多個目標(biāo)物的多通道活體成像標(biāo)記。
作者進(jìn)一步利用該探針對三磷酸腺苷（ATP）的特異性響應(yīng)，結(jié)合腫瘤組織旺盛的新陳代謝所產(chǎn)生的ATP，成功實現(xiàn)了對淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移瘤的高信噪比成像追蹤。
由于無需外加激發(fā)光源，近紅外第二窗口生物發(fā)光成像能夠獲得高達(dá)83.4的腫瘤/正常組織信號比（Tumor to Normal tissue Ratio），這一數(shù)值是同一體系中熒光成像的33倍。
這一成果近期發(fā)表在Nature Communications上，張凡教授和凡勇青年研究員為該論文共同通訊作者，博士生陸凌飛為論文第一作者。該工作得到了復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)材料實驗室、聚合物分子工程國家重點實驗室、上海市分子催化與功能材料重點實驗室、國家重大研究計劃項目、國家自然科學(xué)基金杰出青年基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會重點基礎(chǔ)研究項目的大力支持。
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