Fluorescentiebeeldvorming kan worden uitgevoerd met lange Stokes-verschuivingskleurstoffen die overspraak tussen de excitatiebron en fluorescerende emissie minimaliseren om de signaal-tot-achtergrondverhouding te verbeteren. Hoe dan ook, onderzoekers vormen nog steeds eenvoudige, kleine molecuulkleurstoffen met een grote Stokes-verschuiving en bijna-infraroodemissies. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , ontwikkelden Hao Chen en een team van wetenschappers een reeks styreen-oxazolonkleurstoffen (SOD's) met behulp van eenvoudige synthetische methoden die zijn geïnspireerd op de chromofoor chemische structuur van fluorescerende eiwitten.

De kleurstoffen vertoonden nabij-infrarode emissies met een lange Stokes-shift en een klein molecuulgewicht. De meest veelbelovende kleurstoffen vertoonden ook snelle renale excretie en bloed-hersenbarrière passerende eigenschappen. De bio-ingenieurs wijzigden de verbindingen voor tumorbeeldvorming, fluorescentiebeeldgeleide chirurgie, neurochirurgie en pathologische analyse. De bevindingen dragen een essentiële categorie van kleine moleculaire kleurstoffen bij aan de klassieke kleurstoffen.

Long Stokes shift-kleurstoffen ontwikkelen

Fluorescentiebeeldvorming is wijdverbreid in preklinisch biomedisch onderzoek, evenals in klinische pathologie en fluorescentiebeeldgestuurde chirurgie. Het goedkope, eenvoudige platform biedt kleine lichte schade aan het biologische monster voor een hoge detectiegevoeligheid. De biomedische toepassing van fluorescerende beeldvorming hangt af van de kleurstoffen met kritische kenmerken, waaronder absorptie-/emissieprofielen, absorptiecoëfficiënt, kwantumopbrengst, Stokes-shift en fotochemische stabiliteit.

Toch hebben slechts enkele kleurstoffen in alle categorieën optimale eigenschappen laten zien. De zware overspraak tussen het excitatie- en emissielicht kan resulteren in een relatief lage signaal-achtergrondverhouding. Als gevolg hiervan streven biochemici naar de ontwikkeling van lange Stokes-shift nabij-infraroodkleurstoffen voor een hoge signaal-tot-achtergrondverhouding. In dit werk beschreven Chen en het team de eerste hoogrenderende styreen-oxazolonkleurstoffen (SOD's) als longstokes shift-kleurstoffen, om een ​​nieuwe strategie te bieden voor in vivo fluorescentiebeeldvorming.

Experimenten:ontwerp, synthese en karakterisering van styreen-oxazolonkleurstoffen (SOD's)

Fluorescentie-eiwitten worden veel bestudeerd in biologisch onderzoek, waar ze hetzelfde kernskelet delen van een imidazolinongroep en een exocyclische dubbele binding om te schakelen tussen de donkere en heldere toestanden. De onderzoekers ontwierpen en synthetiseerden een reeks voorheen niet-gerapporteerde kleurstoffen met styreenoxazolon als fundamenteel skelet via een eenvoudige procedure bij kamertemperatuur voor goede opbrengsten binnen twee uur. Ze karakteriseerden de chemische structuur van SOD's met behulp van standaard ¹ H nucleaire magnetische resonantie (NMR) en massaspectrometriespectra met hoge resolutie. Het team identificeerde de spectroscopische eigenschappen van de kleurstoffen in waterige media, waar ze een sterke fluorescentie met goede fotostabiliteit opmerkten vanwege de aanwezigheid van een exocyclische dubbele binding. De onderzoekers leidden het verschil in spectroscopische eigenschappen af ​​van de elektrische eigenschap en positie van de substituenten.

Ze lieten dus zien hoe verschillende factoren de optische eigenschappen van de SOD's (styreen-oxazolonkleurstoffen) beïnvloedden en onderzochten daarna de cytotoxiciteit van de kleurstoffen. Ze volgden deze experimenten met in vivo farmacokinetiek via fluorescentiebeeldvorming, evenals in vivo toepassingen van de kleurstof voor het labelen van biomoleculen. De resultaten toonden aan hoe sommige sondes die zich richten op pathologische aandoeningen meer accumuleerden in tumorcellen dan in normale cellen, om hun tumorspecifieke targeting-eigenschappen te benadrukken.

Biocompatibiliteit van de intraveneuze injectie van de kleurstofbiomoleculen

De onderzoekers bestudeerden de biocompatibiliteit van de kleurstof na intraveneuze injectie in een muismodel en onderzochten het effect op de inwendige organen via histologie. De resultaten benadrukten de mogelijkheid om de nieuwe fluorescentiesonde te gebruiken om tumoren en fluorescentiebeeldvorming van belangrijke organen te identificeren. Het werk benadrukte de beste tijd voor fluorescentiebeeldgeleide tumorchirurgie om 60 minuten na injectie te zijn en toonde aan hoe de snelle accumulatie van de kleurstof in de hersenen het kort geschikt maakte voor dynamische beeldvorming van de hersenzenuw. De resultaten benadrukten voor het eerst de impact van het kleurstofmolecuul voor dynamische monitoring van de hersenzenuw.

Vooruitzichten

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. + Verder verkennen

Researchers develop new generation NIR-II dyes for biomedical imaging

© 2022 Science X Network