近红外二区荧光成像因其更高的组织穿透力、更低的生物组织自荧光和更高的信噪比，在生物医学研究中受到越来越多的关注。作为荧光成像的重要组成部分，近红外二区荧光染料的研发备受研究者的重视。特别是近年来广泛研究的电子供体-电子受体-电子供体（D-A-D）类小分子近红外二区（NIR-II）荧光染料，展现出很多优越性质。但目前大多数报道的小分子NIR-II有机荧光分子常为疏水性，限制了其蛋白标记等应用。生物成像应用时需封装于聚合物基质中，体内清除速度慢，GMP制备难度大。研究水溶性小分子D-A-D染料是目前扩展NIR-II应用范围重要的解决方案。但水溶性小分子染料的应用面临稳定性变差，量子产率降低等难题。
前期研究发现，现有D-A-D类近红外二区荧光染料主要以苯并噻二唑（BBT）和6,7-二苯基-[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹恶啉（PTQ）结构为电子受体。上述电子受体或在碱性等严苛条件下极不稳定，或在吸收/发射光谱上存在蓝移现象，限制了该类探针的广泛应用。因此，研发具有高稳定性和吸收/发射红移的新型电子受体，对于设计新一代D-A-D类NIR-II有机荧光团至关重要。
2022年 7月 2日，上海药物所分子影像中心在国际知名期刊Nature Communications上在线发表了题为“Acceptor engineering for NIR-II dyes with high photochemical and biomedical performance”研究论文。文章报道了一种新型电子受体6,7-二（噻吩-2-基）-[1,2,5]噻二唑[3,4-g] (TQT), 并基于该电子受体合成新的水溶性NIR-II染料FT-TQT（图1）。利用该探针，研究团队获得高分辨NIR-II血管成像（图2），并首次动态监测肿瘤血管阻断剂CA4P切断肿瘤血管的过程（图3）。
研究人员首先考察BBT, PTQ和TQT三个电子受体光学性质及在不同体积分数三乙胺碱性条件下的稳定性。实验结果表明，与BBT相比，TQT显示超高的碱稳定性；同时，TQT较PTQ发射光谱红移。基于此，研究团队合成系列小分子D-A-D荧光探针，并考察其化学稳定性。实验结果表明，以TQT为电子受体的D-A-D NIR-II荧光探针在活性氧/氮物种（ROS/RNS）、金属离子和活性生物分子以及各种碱性条件下表现出超高稳定性。其中，FT-TQT因其高光/化学稳定性，高量子产率、高度水溶性以及适宜的发射波长（λmax = 1034 nm），被筛选用于后续生物学评价。
随后，科研人员将FT-TQT与生物相容性胎牛血清（FBS）相互混合并加热制备FT-TQT@FBS。与FT-TQT相比，FT-TQT@FBS量子产率增加了8倍（QYFT-TQT@FBS = 0.2%，QYFT-TQT = 0.025%），并实现了全身循环系统、脑血管和肿瘤血管的高分辨率成像。更重要的是，FT-TQT@FBS NIR-II 成像，实现了实时监测CA4P治疗后肿瘤血管破裂的动态过程，未来有希望用于类似靶点化合物的药效快速评价和药物筛选。该研究为开发新型NIR-II荧光分子用于多功能生物成像提供了新的策略。
上海药物所新药研究国家重点实验室、分子影像中心程震研究员和陈浩研究员为本研究共同通讯作者。陈浩课题组职工吉爱艳和程震课题组联合培养博士生娄宏跃为本研究的共同第一作者。该研究获得了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金、上海市科技重大专项、临港实验室“求索杰出青年计划”及上海市浦江人才等项目的资助。
图1、合成水溶性NIR-II染料FT-TQT
图2、高分辨NIR-II血管成像
图3. a 血管阻断剂CA4P治疗后，肿瘤血管切断的示意图； b 未给与CA4P，肿瘤血管荧光成像图； c 给与CA4P 30 min 后，肿瘤血管的实时NIR-II成像图。
（供稿部门：陈浩课题组；供稿人：吉爱艳）
