内容提要
我们报道了一系列乙烯桥接的 D−π−A BODIPY -杂蒽染料，通过合理的分子设计，具有精确调节的吸收波段，范围从远红到近红外(NIR, 700 ~ 1000 nm)。这些染料具有优异的光声性能，通过引入水溶性基团可以显著提高其生物相容性。体内双通道多通道光声成像显示了其高分辨率成像能力，成为未来近红外生物成像应用的候选者。
结果与讨论
分子设计与光物理性质研究
在BODIPY的中间位置引入甲酯(- CO2Me)和三氟甲基(- CF3)基团有效地降低了BODIPY核心的LUMO能级，从而减小了分子带隙并引起吸收波长的深变色。此外，CF3 取代的BODIPY染料具有优异的PA成像能力。基于这一认识，我们选择了在中间位置具有苯基(- Ph)， - CO2Me和- CF3基团以及醛修饰的杂蒽的BODIPY核心作为我们分子设计的起始材料。以乙烯为共轭桥基，通过直接的Knoevenagel缩合反应合成了BX核心。得到的BX1−4比起始的BODIPY和xanthene具有更大的共轭结构，这表明与两个核心相比，它们的吸收波长有明显的红移。此外，我们在BODIPY的5位上引4-N,Ndialkylamino/4-methoxyphenylethynyl或第二个杂蒽基团，得到了BX5−8，该BX5−8具有更强的ICT效应和更大的共轭结构，进一步促进了吸收波长的调制。为了促进成像在生物系统中的应用，我们将聚乙二醇(PEG)链加入到BX4、BX6和BX8的分子结构中，得到了具有良好水溶性的BX9−11。
我们研究了BX1−3,5,7在二氯甲烷(DCM)溶液中的光物理性质。BX1在655 nm处表现出λabs，摩尔吸收系数(ε)高达96000 M−1 cm−1。与前驱体BDP1相比，这代表了152 nm的色移。如此大的色移主要是由于杂蒽部分的偶联导致π共轭体系的扩展。BX2,3在686 nm (ε = 86000 M−1 cm−1)和750 nm (ε = 50000 M−1 cm−1)处表现出更长的λabs，与BX1相比分别表现出31 nm和95 nm的色移。色移的λabs和ε的降低与中介位上越来越强的吸电子基团(- Ph < - CO2Me < - CF )引起的推拉效应增加有关。由于在3位和5位引入了具有较强给电子能力的刚性共轭单元，BX5和bx7的λabs分别发生了明显的色移至867和930 nm。还测量了不同极性有机溶剂中的吸收光谱。随着溶剂极性的升高，BX1、2的吸光度略有下降，而BX3、5、7的吸光度急剧下降，这也与ICT效应增强有关。此外，与吸收光谱的趋势一致，BX1−3,5,7在727 ~ 1019 nm范围内表现出逐渐的色移发射最大值。值得注意的是，所有化合物的荧光量子产率均低于1.2%，表明它们具有高效的光热转换能力，表明它们具有优异的PA性能。为了验证这一假设，我们测量了BX1−3,5,7在DCM中的PA光谱。虽然与吸收光谱相比，这些化合物的PA光谱分辨率较低，信噪比相对降低，但吸收波长对应的位置几乎保持不变。这进一步证实了这些化合物良好的PA特性，暗示了它们在PA成像应用中的潜在效用。
BX9−11在PBS缓冲液中的吸收光谱分别为760 nm (ε = 23000 M−1 cm−1)、864 nm (ε = 37000 M−1 cm−1)和927 nm (ε = 27000 M−1 cm−1)。接下来，为了评估BX染料优越的光稳定性，用808 nm激光照射BX9−11溶液，并将其与临床批准的ICG.37进行比较。在等浓度(10 μM)连续照射60 min后，BX9−11的吸收峰基本保持不变，而ICG的吸光度下降到10%。此外，还对BX9−11对同型半胱氨酸(Hcy)、半胱氨酸(Cys)、谷胱甘肽(GSH)和H2O2等常见生物物质的化学稳定性进行了评价。用5倍等量的这些物质孵育3小时后，它们的吸收光谱保持非常稳定。BX染料具有良好的光稳定性和化学稳定性，具有良好的结构刚性，巩固了其在生物成像应用中的潜力。这些特征使得BX1到BX7的HOMO - LUMO能隙(1.95 eV→1.34 eV)减小，与红移吸收带一致。同时，这种能隙的减小会根据能隙规律进一步促进对辐射发射的抑制，增强非辐射衰减，有利于光声响应。
分子的光声成像研究
为了评估BX9 - 11作为PA制剂的潜力，我们测量了不同浓度(0 ~ 300 μM) BX9 - 11的体外PA性能。在750、800、850 nm激光照射下分别检测到BX9−11的强PA信号，PA图像如图所示。BX9−11的PA光谱与它们的吸收光谱吻合良好，PA信号的强度随浓度的增加而增加，表明浓度与信号强度呈线性关系。通过观察PA信号强度随鸡胸肉厚度的衰减，进一步研究了PA成像对BX9−11的穿透深度。在4.0 mm厚度处，BX10、11的PA信号(红色)与超声信号(黑色、白色)清晰可辨。随着厚度的增加，幻像的PA信号分辨率逐渐降低，约为5.5 mm无法区分。相比之下，BX9的穿透深度更浅，其PA信号在4.0 mm厚度处明显衰减。这些结果表明，BX10,11在PA成像强度和穿透深度方面都优于BX9，这可能是由于它们的吸收波长更长，吸光度更高。
活体多通道光声成像研究
为了验证BX9−11在体内的PA成像能力，我们进一步进行了多路PA成像实验。利用BX9,11之间的光谱分离，在两个时间点对整个小鼠进行双通道多路三维PA在体成像。分别静脉注射PBS缓冲液中的BX9 (200 μM, 200 μL)和BX11 (300 μM, 200 μL)。在880 nm激发下，分配给BX11的PA信号主要出现在肠道部位。780 nm通道保留给BX9照亮全身血管系统。然后，将两个通道的图像合并，外推感兴趣区域(ROI)的两个通道的线强度，并绘制在图3c,d中。从绘制的结果可以看出，ROI中BX9、11的PA信号可以清晰区分，表明它们能够协同成像静脉血管和肠道，从而解剖这两个器官的相关生理或病理事件。从以上实验结果可以看出，BX染料具有优异的PA成像性能。通过进一步的功能修饰，预计BX染料将在分子成像和治疗等各个领域发挥重要作用。
总结
我们开发了一类基于乙烯桥联体杂化结构的NIR吸收染料。这些染料在有机溶液和PBS缓冲液中都表现出650 ~ 1100 nm的强大吸收带。体外和体内研究表明，进一步配备水溶性基团的BX9−11具有出色的光稳定性、生物相容性和PA成像能力。值得注意的是，BX9和BX11的耦合使肠道和全身血管系统的双通道多路PA成像成为可能。乙烯桥接的BODIPY-杂化结构作为开发更先进的近红外光声剂用于生物成像应用的优质支架具有巨大的前景。
参考文献
Near-Infrared Absorbing BODIPY-Xanthene Hybrids for Multiplexed Photoacoustic Imaging ，Mohan Xu, Qian Sun, Xiaoqing Wang, Hu Gao,* and Zhipeng Liu*，Org. Lett.，https://doi.org/10.1021/acs.orglett.4c00842
