基于D-A-D结构的近红外Aza-BODIPY纳米颗粒用于生物成像

Near-infrared Aza-BODIPY nanoparticles based on D-A-D structure for bioimaging

Haitao Liao, Qingxuan Meng, Yuhao Li, Senqiang Zhu, Rui Liu, and Hongjun Zhu

Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 03, 2541003 (2025)

https://doi.org/10.1142/S1793545825410032

在生物医学光子学领域，光学成像技术因其非侵入性、高灵敏度和优异的空间分辨率而成为生物医学研究的重要工具。近期，《Journal of Innovative Optical Health Sciences》杂志上发表了一篇题为“Near-infrared Aza-BODIPY nanoparticles based on D-A-D structure for bioimaging”的研究型论文，为这一领域带来了新的突破。该研究由南京工业大学的刘睿教授、朱森强副教授和上海理工大学的李钰皓副教授团队共同完成，他们设计并合成了一系列基于供体-受体-供体（D-A-D）结构的Aza-BODIPY分子，并将其自组装成纳米颗粒，用于生物成像。这些纳米颗粒在近红外区域具有优异的荧光性能，为活体成像提供了一个极具潜力的平台。

研究背景与挑战

生物成像技术在揭示生物体的化学组成、生物分子相互作用以及结构功能方面发挥着重要作用。然而，活细胞和生物体的复杂结构给生物成像带来了巨大挑战。传统的荧光成像方法存在自荧光信号、细胞损伤和激发光穿透深度有限等问题。近年来，近红外（NIR）荧光探针因其更深的光子穿透能力、最小化的光学损伤和较低的生物自荧光干扰而受到广泛关注。有机染料作为一类重要的荧光标记材料，其中BODIPY染料因其高荧光量子产率、窄吸收和发射光谱、优异的化学和光稳定性而备受关注。Aza-BODIPY作为BODIPY的结构类似物，通过在核心引入氮桥，实现了吸收和发射波长的显著红移，使其主要工作在NIR区域。

创新方法与实验

该研究团队通过简单的合成方法和成本效益高的材料，设计并合成了一系列具有NIR发射的Aza-BODIPY分子：Aza-BDP-OCH3、Aza-BDP-OH和Aza-BDP-I。他们利用Aza-BODIPY核心的强电子接受特性，通过引入三苯胺和甲氧基团构建了D-A-D结构，实现了荧光发射波长的红移。通过硼三溴化物的脱甲基反应得到Aza-BDP-OH，通过在Aza-BDP-OCH3中引入碘原子合成Aza-BDP-I。这些分子与两亲性聚合物PMHC18-mPEG自组装形成纳米颗粒（NPs），展现出优异的水溶性和生物相容性。

实验结果与优势

实验结果表明，这些NPs在100 μg/mL的浓度下展现出低生物毒性，具有良好的生物应用潜力。尾静脉注射后，Aza-BDP-I NPs能够通过增强的渗透和保留（EPR）效应在肿瘤中积累并有效照亮肿瘤。此外，这些有机NPs主要通过肝脏代谢。因此，基于Aza-BODIPY的NIR荧光NPs为开发活体光学纳米探针提供了一个有前景的平台。

图1. (a) Aza-BDPs在CH2Cl2中的吸收光谱；(b) Aza-BDPs在CH2Cl2中的荧光光谱。

图5展示了Aza-BDP-I NPs在活体小鼠肿瘤成像中的应用。

图6. 尾静脉注射Aza-BDP-I NPs后1小时和6小时的活体器官成像。

主要创新点

●新型Aza-BODIPY分子的设计与合成：通过构建D-A-D结构，成功将Aza-BODIPY分子的荧光发射波长红移至NIR区域。

●纳米颗粒的自组装：通过与两亲性聚合物PMHC18-mPEG自组装，形成了具有良好水溶性和生物相容性的NPs。

●优异的光学性能：Aza-BDP-I NPs在NIR区域展现出优异的荧光性能，具有较大的Stokes位移和高荧光量子产率。

●活体成像应用：Aza-BDP-I NPs通过EPR效应在肿瘤中有效积累，为肿瘤成像提供了清晰的图像，并通过肝脏代谢，显示出良好的生物安全性。

应用前景

这项研究开发的Aza-BODIPY基NIR荧光NPs为生物成像提供了一个有前景的平台。这些NPs不仅在肿瘤成像中表现出色，还具有良好的生物相容性和低毒性，使其适用于多种生物医学应用。未来的研究可以进一步探索这些NPs在NIR-II区域的应用，以及它们在光动力治疗中的潜力，为肿瘤的诊断和治疗提供更全面的解决方案。

结语

这项研究不仅在Aza-BODIPY分子的设计和纳米颗粒的合成方面取得了重要进展，还为生物成像技术的发展提供了新的思路和方法。通过构建D-A-D结构和自组装技术，他们成功开发了一系列具有NIR发射的Aza-BODIPY NPs，为活体成像提供了一个安全、有效的平台。我们期待这一技术能够在更多领域得到应用，为生物医学研究带来更多的突破。

通讯作者简介

李钰皓，上海理工大学副教授，主要研究方向为纳米复合材料的精准诊疗应用、光功能材料、生物医用高分子材料等。

更多详情见https://chxy.usst.edu.cn/2021/0913/c10587a254559/page.htm

朱森强，南京工业大学副教授，主要研究方向为精细有机合成、非线性光学材料的合成与光限幅应用、金属有机复合材料的生物传感与诊疗应用等。

更多详情见https://chem.njtech.edu.cn/info/1073/5161.htm

刘睿，南京工业大学教授，主要研究方向为有机合成及有机光电功能材料，包括非线性光学材料的合成与光限幅应用、金属有机复合材料的生物传感与诊疗应用、刺激响应发光/变色材料有机功能染料、OLED发光材料等。

更多详情见https://chem.njtech.edu.cn/info/1073/1811.htm