巢晖教授團隊: 三光子磷光銥(III)配合物的合理設計及生物成像研究

       在生命科學研究中，熒光染料是傳遞生物體系中結構與功能等相關信息的重要工具。随着生命科學研究和生物分析方法的不斷發展，研究者對熒光染料的物理、化學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，在生物醫學研究領域受到廣泛地關注。和雙光子熒光成像技術相比，三光子熒光成像技術由于采用了較之更遠的脈沖紅外光激發，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/散射影響。同時利用這類三光子機制的激發脈沖光，還可以同時實現多光子磷光壽命/時間門成像，能作為傳統熒光成像模式的有力補充。

                                                          圖1. 三光子磷光銥(III)配合物的設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，化學結構穩定性高，具有高的量子産率和較長的發射壽命（通常為微秒級），以及優異的抗光漂白效果，近年來已被廣泛地應用于生物熒光成像研究，但關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，并僅限于光物理方面研究。如何有效結合理論計算，通過結構修飾，構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  目前亟待解決的關鍵問題。

      太阳集团1088vip巢晖教授課題組、沈勇副教授課題組和太阳集团app首页附屬第一醫院裴中教授課題組通過合作研究，近期發展了一種理論計算與實驗測試相結合的三光子熒光染料有效篩選方法，設計、合成了一類具有三光子磷光的新型銥(III) 配合物，并成功将其用于生物熒光成像研究。在研究中，他們發現不改變配合物母體結構，僅通過引入一些特殊的官能團修飾，能有效地将配合物的三光子躍遷幾率和量子産率提升近四倍，極大地改善了銥(III)配合物的三光子光物理性質。

      利用三光子顯微共聚焦/磷光壽命成像技術，銥(III)配合物3PAIr2隻需低的染色濃度（50 nM）、短的孵育時間（5分鐘）和低的激發功率（980 nm飛秒激光功率為0.5 mW），就可以有效地實現細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，發現其以980 nm激光激發的三光子磷光成像可以達到約500 微米的穿透深度，這個距離是以750 nm激光激發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包裹後，利用3PAIr2-DSPE-PEG2000進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圖。這是首次使用銥(III)配合物作為三光子磷光染料實現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計提供了一條簡便、行之有效的途徑，還獲得了一類具有優異生物成像能力的金屬配合物磷光染料。

       該研究成果發表在化學綜合期刊Angewandte Chemie International Edition ，并被評為Hot Paper。太阳集团1088vip博士後金呈之和太阳集团app首页附屬第一醫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、巢晖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)。 全文鍊接：https:// doi.org/10.1002/anie.202006964。

      以上研究工作得到了國家自然科學基金（21525105, 21778079, 21701196, 21807119），教育部 （No. IRT-17R111）和中央高校基本科研業務費（20lgjc01）等項目的資助。