作为一种前沿的成像技术手段，近红外二区荧光成像(NIR-II, 1000-1700 nm)因其具有光散射小、自发荧光低和深层组织穿透深度强的优点而广受全世界的关注和青睐。NIR-II荧光成像技术可以显著提高生物医学研究和临床实践中疾病检测和诊断的灵敏性和特异性，其独特的优势让荧光成像在分析化学、化学生物学和生物医学工程重新焕发生机与活力。NIR-II荧光染料作为NIR-II荧光成像的核心其开发成为分子成像领域的研究热点，追求高亮度的NIR-II荧光染料成为众多研究者的目标。在现有的 NIR-II 小分子荧光染料中，聚甲炔荧光染料作为最重要的一类有机NIR-II荧光染料，具有摩尔消光系数高、荧光亮度高和波长可调等多种优点，因此受到了越来越多研究者的关注，并且取得了显著的研究进展。基于课题组在NIR-II区荧光分子染料创制及生物成像应用方面的丰富研究经验，复旦大学雷祖海青年研究员团队对 NIR-II 聚甲炔荧光染料分子工程设计策略的最新进展进行了系统性综述，重点介绍其在生物成像和生物传感方面的应用。最后，作者对该领域面临的机遇与挑战进行论述和展望。
该成果以“The pursuit of polymethine fluorophores with NIR-II emission and high brightness for in vivo applications”为题，发表在英国皇家学会期刊Chemical Science上。复旦大学博士后赵轩为论文的第一作者，复旦大学雷祖海青年研究员为本文通讯作者。
在这篇综述中，作者对 NIR-II 聚甲炔荧光染料的分子工程设计策略以及在生物成像和生物传感方面的应用进行了系统而全面的阐述。
首先，作者阐述了聚甲炔荧光分子染料的历史起源、分子结构特点以及面临的“菁极限（cyanine limit）”问题等。为了获得高保真和高清晰的成像效果，高性能的NIR-II 聚甲炔荧光染料应具备三个优点：1）在NIR-II 窗口有长的吸收/发射波长； 2) 在生物体系中具有高的 NIR-II 荧光亮度； 3) 优良的化学稳定性和光稳定性。基于此，作者详细探讨了实现染料波长的红移的策略，包括延长共轭体系、杂原子替换、修饰推拉电子体系、以及构建J-聚集体等方式；然后讨论了如何提高荧光亮度，包括空引入空间位阻、与蛋白形成复合物、聚集诱导发光和增强染料分子结构刚性等；接着探讨了如何提高染料的化学稳定性和光稳定性，包括引入空间位阻、增强染料分子结构刚性等；最后，作者讨论了如何提高染料水溶性的方法，包括在荧光团结构上嵌入亲水基团或是用胶束或其他载体包裹疏水性荧光染料。
接着，作者进一步讨论了NIR-II 聚甲炔荧光染料在生物成像方面的应用，主要包括肿瘤成像、动态血管成像、活体多色成像和荧光导航手术等。同时，作者也总结了聚甲炔荧光染料在NIR-II荧光传感探针构建方面的设计策略，包括off-on型和比率型荧光探针，其荧光调控机理主要包括激发态分子内电荷转移（ICT）、荧光共振能量转移（FRET）、光致电子转移（PET）等。
最后，作者讨论了NIR-II聚甲炔荧光染料在分子工程设计上面临的潜在挑战以及可能的解决方法，并进一步展望了其在NIR-II区多重生物检测、化学发光和生物标记等荧光成像方面的发展潜力和机遇。
全文连接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/sc/d2sc03136a
雷祖海
本文通讯作者，复旦大学青年研究员，博士生导师。2020年入职复旦大学药学院，长期致力于高性能荧光染料和传感探针的研究。针对荧光活体成像中穿透深度浅和背景干扰的科学问题，在化学与生物传感领域做出了系统的工作，创制多个系列用于生物成像的高亮度、高稳定性荧光染料，提出“共价组装”零背景干扰传感探针设计策略，并开发了系列用于健康相关底物检测的零背景传感探针。以通讯作者和第一作者在国际权威期刊发表论文10余篇，包括Angew（5篇）, JACS（2篇）， Chem Sci (1篇)。论文总引用超过1500次。获中国授权专利3项，美国授权专利1项。主持国家及省部级纵向科研项目多项。获得上海市优秀博士毕业生、博士后创新人才支持计划、上海市启明星计划等荣誉。
课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/Lei_zuhai
