内容提要
本研究报道一种简化且可编程的不对称合成平台，能够系统构建具有近红外（NIR）手性光学活性的硼中心手性硼二吡咯甲烷（BODIPYs）。该方法通过催化不对称交叉偶联实现了对前手性BODIPYs的精确功能化，从而获得了π共轭染料，具有优异的对映体过量和可调光物理性质。分子手性在细胞识别中起关键作用，因为我们的手性BODIPY染料表现出对映体选择性摄取和细胞内不同亚细胞定位。当制备为纳米颗粒时，这些染料能够实现高分辨率NIR-II血管成像。
结果与讨论
建立硼手性 BODIPY 库
根据我们的设计，选择了一个具有两个α位C-Cl键的非手性BODIPY核心1a和苯基炔作为起始材料进行条件筛选。反应参数，包括配体、碱和溶剂，进行了系统优化。最佳条件是使用兼具轴向和中心手性的膦酰胺配体（L）、醋酸铯作为碱，以及叔丁基甲醚（TBME）作为溶剂，在4小时反应后，产物3a的产率达到96%，对映体过量（ee）为99%。在获得优化条件后，成功合成了一系列具有不同光物理性质的炔基取代BODIPY，且均具有高产率和优异的对映选择性。对于发射波长在560–590nm范围的产物，各种取代苯基炔均能高效反应。在芳香环对位含有电子吸引基（Br、Cl、NO₂）或电子给基（Me、酰基）的炔烃，可得到目标产物3a-3f，产率从良好到优异。邻位取代芳香炔（F、Cl、Br）得到产物3g-3i，也具有类似高产率和优异对映选择性，而间位取代芳香炔（Cl、Br、OMe）同样耐受良好，获得3j-3l，效果优异。此外，杂芳香炔，如3-乙炔基噻吩，也可顺利反应，产物3m具有优异的产率和ee。线性烷基取代炔烃也具有良好兼容性，可顺利生成产物3n。对于发射最大值低于560nm的情况，三甲基硅基炔烃被证明适合该反应条件，生成对应产物3o，该产物可进一步转化为末端炔以扩展结构多样性。为了实现吸收和发射的红移，探讨了具有延长共轭体系的芳香炔。在590–610nm范围内，9-乙炔基蒽成功生成产物3p，并具有高荧光量子产率。同样， TPE功能化炔烃2q完全兼容，生成含TPE的BODIPY衍生物3q，其展示红移发射和潜在的聚集诱导发光（AIE）活性。值得注意的是，在芳香环对位或邻位的甲氧基炔烃，与其他取代基（3a-3l）相比，会导致显著红移（3r-3s），这可能是由于甲氧基的电子供体特性促进了分子内电荷转移。基于此，还测试了电子给予力更强的炔烃，以进一步红移发射。正如预期的那样，对位取代的NPh2和NMe2基团生成了发射峰分别为751nm和738nm的产物3t和3u，两者都位于近红外区域。此外，通过以4-乙炔基-N,N-二甲基苯胺作为偶联伙伴，修改二吡咯并甲烷核心和硼取代基，进一步扩展了适用范围。将硼中心上的苯基替换为3-噻吩基得到产物3v，使发射峰红移了12nm。此外，用电子吸引基取代meso位的基团可进一步改善红移。例如，五氟苯基和硝基取代衍生物（3x和3w）的发射峰分别为774nm和798nm，将范围进一步扩展到近红外区域。在成功通过非对称Sonogashira偶联合成α-炔基硼-手性BODIPYs的基础上，我们接着旨在通过开发一种快速方法来获得α-烯基硼-手性BODIPYs，从而扩展我们的化合物库。经过探索，我们发现将叔醋酸铯（CsOAc）替换为三乙胺（Et3N）作为碱，可通过具有备对称性的1a与烯烃4之间的Heck型反应高效合成手性富集的α-烯基硼-手性BODIPYs。我们评估了多种具有不同官能团和骨架的烯烃，证明了该方法在生成结构多样的α-烯基硼-手性BODIPYs方面的通用性。对于发射最大值在560–580nm范围内的产物，含有丙烯酸酯(4a)、丙烯酰胺(4b)、乙烯醚(4c)和乙烯硅烷(4d)等官能团的烯烃，可转化为手性α-烯基硼BODIPYs (5a-5d)，且对映体过量优异。值得注意的是，环己烯基乙烯同样参与了反应，生成所需产物，产率适中，对映体过量优秀。芳基烯烃生成具有明显红移发射最大值的产物。在烯烃的苯环的邻位、间位或对位引入F、Cl、Br、tBu、CF3和NO2等取代基，可以得到手性α-烯基硼BODIPYs (5f-5m)，产率良好，对映选择性优秀，发射最大值在580至599nm之间。类似于炔基取代BODIPYs，苯环对位-OMe取代显著影响光物理性质，产物5o显示发射最大值为611nm。对于发射最大值在600–620nm范围内的产物，延伸共轭的底物，如9-苯基咔唑(4n)、2-萘基(4p)和2-噻吩基(4q)均能很好地适应反应，产生高产的目标BODIPYs。值得注意的是，1-苯基-1,3-丁二烯(4r)也顺利反应，得到产物5r，产率与对映选择性优异。产物5r的发射波长比5f长27nm，可能是由于π共轭体系的扩展。受这一结果启发，我们进一步研究了具有并环芳环(4s)及其他二烯(4t-4v)的烯烃，以构建近红外BODIPYs。相应产物5s-5v的吸收和发射波长显著增加。产物5w显示发射最大值为730nm，这归因于4-乙烯基-N,N-二甲基苯胺的强电子给体特性。每种硼-手性BODIPY的光物理数据，包括吸收最大值、发射最大值及荧光量子产率。
合成应用
为了进一步使获得的硼手性BODIPY的吸收和发射波长红移，并展示该方法学的下游应用，我们对α-氯取代的BODIPY产物进行了后功能化。首先，一种二α-氯BODIPY，其meso位上具有不同的芳基，经历了高效的串联炔基化/烯基化反应，成功制备了高度功能化的3,5-二取代手性光学BODIPY产物6a–6e，产率良好，ee值优异，发射波长为750–850 nm。值得注意的是，这些在两个α位均有不同取代基的结构多样的手性富含炔基/烯基/二烯基BODIPY衍生物此前是无法获得的。此外，我们成功地以平滑方式合成了1,4-二炔基苯/二烯基苯桥联BODIPY二聚体6f和6g，产率为99%，且dr > 20:1。该二聚体的独特骨架在荧光成像中具有巨大应用潜力。此外，我们研究了6b（一种带有三甲基硅基的BODIPY）与含有生物活性分子核心结构（包括D-葡萄糖吡喃糖和维生素E）的叠氮化物之间的铜催化点击反应。
BODIPY@BSA的摄取和定位
由于许多BODIPY衍生物固有的疏水性，直接在水性生物体系中使用可能具有挑战性。为了解决这一问题，我们在以下细胞和体内研究中使用了BODIPY@BSA复合物。这种配方策略提供了若干优势，包括提高水溶性、改善生物相容性，以及通过BSA介导的传递增加细胞摄取。BODIPY的生物相容性也已提前测试，证实BODIPY@BSA对于生物医学成像足够安全。使用共聚焦激光扫描显微镜评估了BODIPY@BSA的细胞摄取和细胞内定位。将人类胶质母细胞瘤细胞系U87MG与BODIPY@BSA共同孵育2小时，在细胞质中观察到强烈的红色荧光，表明BODIPY@BSA已成功内化。为了探讨手性硼中心对亚细胞定位的影响，进行了使用MitoTracker Green和LysoTracker Red的共定位研究。活细胞成像及相应的共定位分析显示，S-3w@BSA具有高度的溶酶体特异性，其与LysoTracker Red的皮尔逊相关系数（PCC）为0.896，显著高于其在线粒体的共定位（PCC=0.492；P≤0.0001）。相反，R-3w@BSA在两种细胞器中的共定位效率相当（线粒体：PCC=0.53；溶酶体: PCC=0.498；P=0.4131）。与其他细胞器标记的额外共定位实验显示，两种对映体在高尔基体中的积累可以忽略不计。对于 3w@BSA，观察到与脂质小滴的中度重叠，提示存在一定的疏脂性分配。有趣的是，R-3w@BSA 和 S-3w@BSA 在内质网（ER）中表现出中度共定位，这可能是由于 ER 与溶酶体之间的物理接触和运输所致。
高分辨率NIR-II成像
为了进一步阐明手性在细胞内分布中的作用，将BSA用FITC进行荧光标记，并用于包封R-和S-3w，形成手性BODIPY@BSA纳米颗粒（NPs）。荧光成像显示BSA-FITC信号（绿色）与BODIPY信号（红色）之间存在部分空间分离，这表明染料在被细胞内吞后会与其蛋白载体解离。这一观察结果意味着，亚细胞定位的差异主要取决于BODIPY染料本身的手性，而不是由BSA载体决定的。为了进一步验证手性依赖的细胞器分布的普遍性，还在U87MG细胞中检查了其他手性富集构建体5w@BSA和6g@BSA的细胞内分布。观察到S-5w和(S,S)-6g均在溶酶体中富集。此外，在NIH/3T3和Ocut-2C细胞中也观察到了3w@BSA的类似分布模式。综合来看，这些发现表明，BODIPY@BSA纳米颗粒与手性生物大分子（如蛋白质、糖类和DNA）之间的手性选择性相互作用，可能促成了观察到的亚细胞定位差异。在荧光成像中，空间分辨率在很大程度上取决于荧光染料的激发光子和发射光子穿透生物组织的能力。为了严格评估BODIPY在NIR-II窗口内的成像性能，以临床批准的染料吲哚菁绿（ICG）作为基准。作为初步步骤，使用Intralipid作为模拟组织的幻像介质，以观察在不同穿透深度下的成像行为。将6c和6e装入玻璃毛细管，并随后浸入不同深度的Intralipid中进行评估。6c和6e均生成了高质量的玻璃毛细管图像，而ICG则随着深度增加表现出明显的可见性下降。对于BODIPY处理的样品，毛细管信号的半峰宽（FWHM），作为空间分辨率的指标，在3毫米厚度范围内保持稳定（0.8–2.6）相比之下，ICG毛细管显示出FWHM值显著扩展，导致信号与背景比（SBR）降低，这种现象可能与NIR-II区域的散射效应有关。此外，在Intralipid介质的所有测试深度中，BODIPY的SBR始终优于ICG。综上所述，这些发现强调了BODIPY染料提供的增强穿透深度和改善的成像对比度。
结论
我们开发了一种简化的催化不对称策略，使硼手性BODIPY能够用于手性光学近红外生物成像。这种高效方法实现了对前手性α-氯BODIPY的可编程功能化，生成具有高度共轭的硼手性色素，具有优异的对映体过量和红移的光学特性。这些手性发光体不仅表现出对映体选择性的亚细胞定位，还展示了卓越的 NIR-II 成像能力，可用于高分辨率血管可视化。我们认为，结果突显了手性对分子水平细胞识别的深远影响，为精确生物成像手性荧光探针的设计提供了宝贵的见解。通过将先进的光学特性与对映体选择性行为相结合，这些 BODIPY 染料为下一代诊断工具开辟了道路，使生物过程的成像更加准确，并具有实时监测疾病进展的潜力。
参考文献
Streamlined construction of boron stereogenic BODIPY library for near-infrared bioimaging . Jiayi Zhao, Jing Mu, Li-Qing Ren ,Deren Lan, Baoquan Zhan Chuan He，Nat. Commun., 2025, 16:9719，https://doi.org/10.1038/s41467-025-64709-z
