巢暉教授團(tuán)隊: 三光子磷光銥(III)配合物的合理設(shè)計及生物成像研究
在生命科學(xué)研究中，熒光染料是傳遞生物體系中結(jié)構(gòu)與功能等相關(guān)信息的重要工具。隨著生命科學(xué)研究和生物分析方法的不斷發(fā)展，研究者對熒光染料的物理、化學(xué)特性也提出了日新月異的期待。雙光子熒光材料因其顯著的組織穿透深度、較低的光毒性，在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域受到廣泛地關(guān)注。和雙光子熒光成像技術(shù)相比，三光子熒光成像技術(shù)由于采用了較之更遠(yuǎn)的脈沖紅外光激發(fā)，使其具有諸如：1) 更好的空間分辨率，2) 更深的組織穿透成像深度，3) 更低的離焦激發(fā)/散射影響。同時利用這類三光子機(jī)制的激發(fā)脈沖光，還可以同時實現(xiàn)多光子磷光壽命/時間門成像，能作為傳統(tǒng)熒光成像模式的有力補(bǔ)充。
圖1. 三光子磷光銥(III)配合物的設(shè)計及生物成像示意圖
銥(III)配合物由于在室溫及生理條件下，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，具有高的量子產(chǎn)率和較長的發(fā)射壽命（通常為微秒級），以及優(yōu)異的抗光漂白效果，近年來已被廣泛地應(yīng)用于生物熒光成像研究，但關(guān)于其作為三光子熒光染料的報道還非常少，至今為止僅有極少量的銥(III)配合物被報道具有三光子吸收性質(zhì)，并僅限于光物理方面研究。如何有效結(jié)合理論計算，通過結(jié)構(gòu)修飾，構(gòu)建具有大的三光子吸收截面和高熒光量子效率的銥(III)配合物，仍是 目前亟待解決的關(guān)鍵問題。
中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院巢暉教授課題組、沈勇副教授課題組和中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院裴中教授課題組通過合作研究，近期發(fā)展了一種理論計算與實驗測試相結(jié)合的三光子熒光染料有效篩選方法，設(shè)計、合成了一類具有三光子磷光的新型銥(III) 配合物，并成功將其用于生物熒光成像研究。在研究中，他們發(fā)現(xiàn)不改變配合物母體結(jié)構(gòu)，僅通過引入一些特殊的官能團(tuán)修飾，能有效地將配合物的三光子躍遷幾率和量子產(chǎn)率提升近四倍，極大地改善了銥(III)配合物的三光子光物理性質(zhì)。
利用三光子顯微共聚焦/磷光壽命成像技術(shù)，銥(III)配合物3PAIr2只需低的染色濃度（50 nM）、短的孵育時間（5分鐘）和低的激發(fā)功率（980 nm飛秒激光功率為0.5 mW），就可以有效地實現(xiàn)細(xì)胞水平的快速線粒體磷光成像。利用大鼠腦部海馬體切片生物模型，完成了3PAIr2在組織切片層面的深度測試，發(fā)現(xiàn)其以980 nm激光激發(fā)的三光子磷光成像可以達(dá)到約500 微米的穿透深度，這個距離是以750 nm激光激發(fā)的雙光子磷光成像深度的兩倍。同時在通過雙親性聚合物DSPE-PEG2000包裹后，利用3PAIr2-DSPE-PEG2000進(jìn)一步嘗試小鼠開顱情況下的腦血管生物熒光成像，得到了450 微米的小鼠腦血管成像深度和三維高分辨率腦血管重構(gòu)圖。這是首次使用銥(III)配合物作為三光子磷光染料實現(xiàn)了對完整顱骨下腦血管的高穿透和高分辨觀測。不僅為三光子熒光染料的合理設(shè)計提供了一條簡便、行之有效的途徑，還獲得了一類具有優(yōu)異生物成像能力的金屬配合物磷光染料。
該研究成果發(fā)表在化學(xué)綜合期刊Angewandte Chemie International Edition ，并被評為Hot Paper。中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士后金呈之和中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院助理研究員梁鳳銀為文章的共同第一作者，沈勇副教授、裴中教授、巢暉教授為共同通訊作者(Chengzhi Jin, Fengyin Liang, Jinquan Wang, Lili Wang, Jiangping Liu, Xinxing Liao, Thomas W. Rees, Bo Yuan, Hui Wang, Yong Shen,* Zhong Pei,* Liangnian Ji and Hui Chao*, Rational Design of Cyclometalated Iridium(III) Complexes for Three-Photon Phosphorescence Bioimaging, Angew. Chem. Int. Ed., 2020, doi.org/10.1002/anie.202006964)。 全文鏈接：https:// doi.org/10.1002/anie.202006964。
以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（21525105, 21778079, 21701196, 21807119），教育部 （No. IRT-17R111）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費（20lgjc01）等項目的資助。
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