Fluorescensavbildning kan utföras med långa Stokes shift-färgämnen som minimerar överhörning mellan excitationskällan och fluorescerande emission för att förbättra signal-till-bakgrundsförhållandet. Oavsett, forskare bildar fortfarande enkla, små molekylfärgämnen med stora Stokes-skift och nära infraröda utsläpp. I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Hao Chen och ett team av forskare utvecklade en serie styrenoxazolonfärgämnen (SODs) med enkla syntetiska metoder inspirerade av den kromoforkemiska strukturen hos fluorescerande proteiner.

Färgämnena visade nära-infraröda emissioner med långa Stokes-skift och låg molekylvikt. De mest lovande färgämnena visade också snabb njurutsöndring och blod-hjärnbarriärpasserande egenskaper. Bioingenjörerna modifierade föreningarna för tumöravbildning, fluorescensbildstyrd kirurgi, neurokirurgi och patologisk analys. Fynden bidrar med en viktig kategori av små molekylära färgämnen till de klassiska färgämnena.

Utvecklar långa Stokes shift-färgämnen

Fluorescensavbildning är utbredd inom preklinisk biomedicinsk forskning, såväl som klinisk patologi och fluorescensbildstyrd kirurgi. Den billiga, lätta plattformen ger mindre ljusskador på det biologiska provet för hög detektionskänslighet. Den biomedicinska tillämpningen av fluorescerande avbildning beror på färgämnena med kritiska egenskaper, inklusive absorptions-/emissionsprofiler, absorptionskoefficient, kvantutbyte, Stokes-skift och fotokemisk stabilitet.

Ändå har endast ett fåtal färgämnen visat optimala egenskaper i alla kategorier. Den kraftiga överhörningen mellan excitations- och emissionsljuset kan resultera i relativt lågt signal-till-bakgrundsförhållande. Som ett resultat strävar biokemister efter att utveckla långa Stokes-skift nära infraröda färgämnen för högt signal-till-bakgrundsförhållande. I detta arbete beskrev Chen och teamet de första högeffektiva styrenoxazolonfärgämnena (SODs) som långvariga färgämnen, för att tillhandahålla en ny strategi för in vivo fluorescensavbildning.

Experiment:Design, syntes och karakterisering av styrenoxazolonfärgämnen (SOD)

Fluorescensproteiner studeras brett inom biologisk forskning, där de delar samma kärnskelett av en imidazolinondel och en exocyklisk dubbelbindning för att växla mellan mörkt och ljust tillstånd. Forskarna designade och syntetiserade en serie tidigare orapporterade färgämnen med styrenoxazolon som ett grundläggande skelett via en enkel procedur vid rumstemperatur för god avkastning inom två timmar. De karakteriserade den kemiska strukturen hos SOD med standard ¹ H kärnmagnetisk resonans (NMR) och högupplösta masspektrometrispektra. Teamet identifierade de spektroskopiska egenskaperna hos färgämnena i vattenhaltiga medier, där de noterade stark fluorescens med god fotostabilitet, på grund av närvaron av en exocyklisk dubbelbindning. Forskarna härledde skillnaden i spektroskopiska egenskaper från den elektriska egenskapen och substituenternas position.

De visade alltså hur en mängd olika faktorer påverkade de optiska egenskaperna hos SODs (styrenoxazolonfärgämnen) och undersökte därefter färgämnenas cytotoxicitet. De följde dessa experiment med in vivo farmakokinetik via fluorescensavbildning, såväl som in vivo tillämpningar av färgämnet för biomolekylmärkning. Resultaten visade hur vissa sönder som riktade in sig på patologiska tillstånd ackumulerade mer i tumörceller än i normala celler, för att framhäva deras tumörspecifika inriktningsegenskaper.

Biokompatibilitet för den intravenösa injektionen av färgämnesbiomolekylerna

Forskarna studerade färgämnets biokompatibilitet efter intravenös injektion till en musmodell och undersökte dess effekt på de inre organen via histologi. Resultaten lyfte fram möjligheten att använda den nya fluorescensproben för att identifiera tumörer och fluorescensavbildning av större organ. Arbetet betonade den bästa tiden för fluorescensbildstyrd tumörkirurgi att vara 60 minuter efter injektion och visade hur den snabba hjärnansamlingen av färgämnet kortfattat gjorde det lämpligt för kranialnervens dynamiska avbildning. Resultaten belyste effekten av färgämnesmolekylen för övervakning av hjärnans dynamiska nerver för första gången.

Outlook

In this way, Hao Chen and colleagues designed and developed a series of oxazolone analogs and calculated their optimized geometry. The resulting dye analogs showed a lower bandgap to contribute to a larger Stokes shift approximating 150 to 200 nm greater than traditional fluorescence dyes. The substituents and steric hindrance effects played a key role in influencing the spectroscopic properties of the dyes. The outcomes indicated good optical and pharmacokinetic properties with high signal-to-background ratio, rapid clearance, and low toxicity. The molecules impressively crossed the blood-brain barrier after intravenous injection into mice to provide a strong fluorescence signal to visualize neurons via confocal fluorescence imaging in vivo.

The team further modified the protocol to allow staining of mitochondria in living cells with applications across tumor imaging, fluorescence navigation surgery and confocal endoscopy to identify surgical boundaries and prevent surgical trauma. The new techniques facilitated the analysis of cell morphology in real time, which simplified the process of conventional histological examination with the additional capacity to replace traditional methods of staining such as Hematoxylin and Eosin as well. The dyes are a previously unreported compound that can be used for biomedical applications during fluorescence-guided surgery, with promising properties including high quantum efficiency, low cytotoxicity, rapid excretion and fluorescence imaging. + Utforska vidare

Researchers develop new generation NIR-II dyes for biomedical imaging

© 2022 Science X Network