调控库仑引力相互作用实现小分子量NIR-II荧光探针的设计及其在阿尔茨海默病淀粉样斑块成像中的应用

本研究突破性地提出通过调控库仑引力相互作用(Ec)直接调控NIR-II(1000-1700 nm)荧光发射波长的策略，基于GFP发色团设计出分子量<500 Da、发射波长>1200 nm的LS系列探针。其中LS7可特异性结合Aβ42纤维，实现22.7倍荧光增强，成功应用于阿尔茨海默病(AD)模型小鼠脑内淀粉样斑块的实时NIR-II成像，为小分子NIR-II探针开发提供了新范式。

　　

在生物医学成像领域，第二近红外窗口(NIR-II, 1000-1700 nm)荧光成像因其组织穿透深、背景干扰低等优势备受关注。然而，现有NIR-II荧光染料普遍面临"分子量-发射波长"的权衡困境——要实现长波长发射(>1000 nm)，通常需要构建大共轭体系导致分子量超过500 Da，这严重限制了其穿越血脑屏障(BBB)的能力。尤其在阿尔茨海默病(AD)研究中，如何实现小分子量探针对β-淀粉样蛋白(Aβ)斑块的高灵敏度检测，一直是制约脑部疾病早期诊断的技术瓶颈。

传统策略通过缩小最高占据分子轨道(HOMO)与最低未占分子轨道(LUMO)能隙(ΔE_HOMO-LUMO)来红移吸收波长，但这种方法间接调控发射波长的效率有限。Miantai Ye团队独辟蹊径，提出通过调控光致发光光子的库仑引力相互作用(E_c)来直接调控发射波长的新机制。当E_c减小时，光生电子-空穴对分离效率提高，分子内电荷转移(ICT)效应增强，从而实现发射波长的显著红移。

研究人员基于绿色荧光蛋白(GFP)发色团(4-羟基苄基二咪唑酮，p-HBDI)设计出LS系列染料。通过三种结构修饰策略：(1)在酚羟基端引入推电子基团(N,N-二甲氨基)；(2)在咪唑啉酮环端引入拉电子基团(氰基苯并噻唑)；(3)扩展π共轭系统双键数量，成功构建出分子量226-449 Da、发射波长444-1218 nm可调的18种LS染料。其中LS7与Aβ₄₂纤维结合后荧光增强22.7倍，斯托克斯位移达311 nm，解离常数K_d=660±2.65 nM。

关键技术方法包括：密度泛函理论(DFT)计算染料电子结构；分子动力学模拟探针与Aβ₄₂纤维结合模式；体外荧光光谱表征；APP/PS1转基因AD小鼠模型构建；NIR-II荧光成像系统(808 nm激发，1000-1700 nm检测)。

分子设计与光谱特性

通过系统调节供体-受体强度和π共轭长度，LS1-LS12实现发射波长从可见光到NIR-II的跨越。理论计算证实发射波长与E_c呈强负相关(λ_em=-371.18E_c+2371.3, R²=0.97)，优于其与ΔE_HOMO-LUMO的相关性(R²=0.91)。LS7(分子量439 Da)在DMSO中发射峰达957 nm，光稳定性优于临床染料ICG。

Aβ₄₂纤维体外检测

LS7与Aβ₄₂纤维结合后荧光增强22.7倍，且不与单体/寡聚体反应。激发态势能面扫描显示，游离态LS7因扭曲分子内电荷转移(TICT)效应而荧光淬灭，结合Aβ₄₂疏水腔后恢复平面构象发出荧光。分子动力学模拟揭示LS7与Aβ₄₂纤维结合自由能(ΔG=-4.42 kcal/mol)最低，印证其最优结合特性。

脑切片与活体成像

在12月龄APP/PS1小鼠脑切片中，LS7与硫黄素S(ThS)对淀粉样斑块的染色重合度达92%。静脉注射后，LS7可穿越BBB在AD小鼠脑内产生持续NIR-II信号(WT小鼠的2.3倍)，而对照染料ICG仅显示血管瞬时影像。组织学检查证实LS7标记区域与免疫组化检测的Aβ沉积高度一致。

该研究开创性地提出"调控库仑引力相互作用"设计NIR-II染料的新范式，突破性地将GFP发色团发射波长延伸至NIR-II区，同时保持分子量<500 Da。LS7成功实现AD模型活体脑内Aβ斑块的高对比度成像，为神经退行性疾病的早期诊断提供新型分子工具。这种"小分子量-长波长"探针设计策略，对开发其他疾病的靶向NIR-II探针具有重要借鉴意义。论文发表于《Nature Communications》，被审稿人评价为"解决了该领域长期存在的关键瓶颈问题"。