Bioinspirerede molekylære farvestoffer til biomedicinsk fluorescerende billeddannelse

Fluorescensbilleddannelse kan udføres med lange Stokes shift-farvestoffer, der minimerer krydstale mellem excitationskilden og fluorescerende emission for at forbedre signal-til-baggrundsforholdet. Uanset hvad, danner forskere stadig simple, små molekylefarvestoffer med store Stokes-forskydninger og nær infrarøde emissioner. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , udviklede Hao Chen og et team af videnskabsmænd en række styrenoxazolonfarvestoffer (SODs) ved hjælp af simple syntetiske metoder inspireret af den kromoforkemiske struktur af fluorescerende proteiner.

Farvestofferne viste nær-infrarøde emissioner med langt Stokes-skift og lille molekylvægt. De mest lovende farvestoffer viste også hurtig nyreudskillelse og blod-hjerne-barriere-passage egenskaber. Bioingeniørerne modificerede forbindelserne til tumorbilleddannelse, fluorescensbilledstyret kirurgi, neurokirurgi og patologisk analyse. Resultaterne bidrager med en væsentlig lille molekylær farvestofkategori til de klassiske farvestoffer.

Udvikling af lange Stokes shift-farvestoffer

Fluorescensbilleddannelse er udbredt i præklinisk biomedicinsk forskning, såvel som klinisk patologi og fluorescensbilledstyret kirurgi. Den billige, nemme platform giver mindre lysskader på den biologiske prøve for høj detektionsfølsomhed. Den biomedicinske anvendelse af fluorescerende billeddannelse afhænger af farvestofferne med kritiske egenskaber, herunder absorptions-/emissionsprofiler, absorptionskoefficient, kvanteudbytte, Stokes-skift og fotokemisk stabilitet.

Ikke desto mindre har kun få farvestoffer vist optimale egenskaber på tværs af alle kategorier. Den kraftige krydstale mellem excitations- og emissionslyset kan resultere i et relativt lavt signal-til-baggrundsforhold. Som følge heraf sigter biokemikere på at udvikle lange Stokes-skift nær infrarøde farvestoffer for et højt signal-til-baggrundsforhold. I dette arbejde beskrev Chen og holdet de første højeffektive styren-oxazolonfarvestoffer (SOD'er) som langvarige farvestoffer for at give en ny strategi for in vivo fluorescensbilleddannelse.

Eksperimenter:Design, syntese og karakterisering af styrenoxazolonfarvestoffer (SOD'er)

Fluorescensproteiner er bredt undersøgt i biologisk forskning, hvor de deler det samme kerneskelet af en imidazolinondel og en exocyklisk dobbeltbinding for at skifte mellem den mørke og den lyse tilstand. Forskerne designet og syntetiserede en række tidligere urapporterede farvestoffer med styrenoxazolon som et grundlæggende skelet via en simpel procedure ved stuetemperatur for gode udbytter inden for to timer. De karakteriserede den kemiske struktur af SOD'er ved hjælp af standard ¹ H nuklear magnetisk resonans (NMR) og højopløsnings massespektrometrispektre. Holdet identificerede de spektroskopiske egenskaber af farvestofferne i vandige medier, hvor de bemærkede stærk fluorescens med god fotostabilitet på grund af tilstedeværelsen af ​​en exocyklisk dobbeltbinding. Forskerne udledte forskellen i spektroskopiske egenskaber fra den elektriske egenskab og substituenternes position.

De viste således, hvordan en række faktorer påvirkede de optiske egenskaber af SOD'erne (styrenoxazolonfarvestoffer) og undersøgte derefter farvestoffernes cytotoksicitet. De fulgte disse eksperimenter med in vivo farmakokinetik via fluorescensbilleddannelse, såvel som in vivo applikationer af farvestoffet til biomolekylemærkning. Resultaterne viste, hvordan nogle prober rettet mod patologiske tilstande akkumulerede mere i tumorceller end i normale celler for at fremhæve deres tumorspecifikke målretningsegenskaber.

Biokompatibilitet af den intravenøse injektion af farvestofbiomolekylerne

Forskerne undersøgte farvestoffets biokompatibilitet efter intravenøs injektion til en musemodel og undersøgte dets virkning på de indre organer via histologi. Resultaterne fremhævede muligheden for at bruge den nye fluorescensprobe til at identificere tumorer og større organfluorescensbilleddannelse. Arbejdet understregede, at det bedste tidspunkt for fluorescens-billedstyret tumorkirurgi var 60 minutter efter injektion og demonstrerede, hvordan den hurtige hjerneakkumulering af farvestoffet kortvarigt gjorde det velegnet til kranienerve-dynamisk billeddannelse. Resultaterne fremhævede virkningen af ​​farvestofmolekylet til hjernenerve dynamisk overvågning for første gang.

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. + Udforsk yderligere

Researchers develop new generation NIR-II dyes for biomedical imaging

© 2022 Science X Network