巢晖教授团队: 三光子磷光铱(III)配合物的合理设计及生物成像研究

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在生命科学研究中，荧光染料是传递生物体系中结构与功能等相关信息的重要工具。随着生命科学研究和生物分析方法的不断发展，研究者对荧光染料的物理、化学特性也提出了日新月异的期待。双光子荧光材料因其显著的组织穿透深度、较低的光毒性，在生物医学研究领域受到广泛地关注。和双光子荧光成像技术相比，三光子荧光成像技术由于采用了较之更远的脉冲红外光激发，使其具有诸如：1) 更好的空间分辨率，2) 更深的组织穿透成像深度，3) 更低的离焦激发/散射影响。同时利用这类三光子机制的激发脉冲光，还可以同时实现多光子磷光寿命/时间门成像，能作为传统荧光成像模式的有力补充。

图1. 三光子磷光铱(III)配合物的设计及生物成像示意图

       铱(III)配合物由于在室温及生理条件下，化学结构稳定性高，具有高的量子产率和较长的发射寿命（通常为微秒级），以及优异的抗光漂白效果，近年来已被广泛地应用于生物荧光成像研究，但关于其作为三光子荧光染料的报道还非常少，至今为止仅有极少量的铱(III)配合物被报道具有三光子吸收性质，并仅限于光物理方面研究。如何有效结合理论计算，通过结构修饰，构建具有大的三光子吸收截面和高荧光量子效率的铱(III)配合物，仍是  目前亟待解决的关键问题。
      中山大学化学学院巢晖教授课题组、沈勇副教授课题组和中山大学附属第一医院裴中教授课题组通过合作研究，近期发展了一种理论计算与实验测试相结合的三光子荧光染料有效筛选方法，设计、合成了一类具有三光子磷光的新型铱(III) 配合物，并成功将其用于生物荧光成像研究。在研究中，他们发现不改变配合物母体结构，仅通过引入一些特殊的官能团修饰，能有效地将配合物的三光子跃迁几率和量子产率提升近四倍，极大地改善了铱(III)配合物的三光子光物理性质。
      利用三光子显微共聚焦/磷光寿命成像技术，铱(III)配合物3PAIr2只需低的染色浓度（50 nM）、短的孵育时间（5分钟）和低的激发功率（980 nm飞秒激光功率为0.5 mW），就可以有效地实现细胞水平的快速线粒体磷光成像。利用大鼠脑部海马体切片生物模型，完成了3PAIr2在组织切片层面的深度测试，发现其以980 nm激光激发的三光子磷光成像可以达到约500 微米的穿透深度，这个距离是以750 nm激光激发的双光子磷光成像深度的两倍。同时在通过双亲性聚合物DSPE-PEG2000包裹后，利用3PAIr2-DSPE-PEG2000进一步尝试小鼠开颅情况下的脑血管生物荧光成像，得到了450 微米的小鼠脑血管成像深度和三维高分辨率脑血管重构图。这是首次使用铱(III)配合物作为三光子磷光染料实现了对完整颅骨下脑血管的高穿透和高分辨观测。不仅为三光子荧光染料的合理设计提供了一条简便、行之有效的途径，还获得了一类具有优异生物成像能力的金属配合物磷光染料。
       该研究成果发表在化学综合期刊Angewandte Chemie International Edition ，并被评为Hot Paper。中山大学化学学院博士后金呈之和中山大学附属第一医院助理研究员梁凤银为文章的共同第一作者，沈勇副教授、裴中教授、巢晖教授为共同通讯作者(Chengzhi Jin, Fengyin Liang, Jinquan Wang, Lili Wang, Jiangping Liu, Xinxing Liao, Thomas W. Rees, Bo Yuan, Hui Wang, Yong Shen,* Zhong Pei,* Liangnian Ji and Hui Chao*, Rational Design of Cyclometalated Iridium(III) Complexes for Three-Photon Phosphorescence Bioimaging, Angew. Chem. Int. Ed., 2020, doi.org/10.1002/anie.202006964)。 全文链接：https:// doi.org/10.1002/anie.202006964。
         以上研究工作得到了国家自然科学基金（21525105, 21778079, 21701196, 21807119），教育部 （No. IRT-17R111）和中央高校基本科研业务费（20lgjc01）等项目的资助。


       文章来源：中山大学
       巢晖，中山大学教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者(2015)，入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”(2006 )和广东特支计划“百千万工程领军人才”(2016 ) 。1992年毕业于湘潭师范学院(现湖南科技大学) ，1997年于南开大学获硕士学位，2000年于中山大学获博士学位。2000年至2003年多次赴香港科技大学化学系合作科研。2004年至2005年在美国Texas A&M大学化学系进行博士后研究。主要从事基于金属配合物的生物荧光探针和抗肿瘤药物研究。作为主持人承担国家自然科学基金、973计划课题、教育部、广东省科技项目等20多项。在Chem. Soc. Rev., Coord. Chem. Rev., Proc. Natl, Acad. Sci. USA, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Small, Biomaterials, Chem. Commun., Chem. Eur. J., J. Med. Chem.等国际期刊发表SCI论文180多篇，论文总他引4600多次；申请中国发明专利16件，授权12件；参编专著教材5部。2005年获中国化学会“青年化学奖”， 2011年获广东省科学技术奖一等奖（第二完成人），2012年被评为南粤优秀教师（广东省），2012年获国家自然科学奖二等奖（第三完成人），2014年获宝钢优秀教师奖。目前担任中国化学会化学生物学专业委员会委员、药物化学与分子诊断教育部重点实验室（河北大学）学术委员会委员、《Scientific Reports》编委、《Journal of Inorganic Biochemistry》编委、《大学化学》编委。
        沈勇，男，1962年12月生，博士，中山大学化学与化学工程学院副教授。科研方向：抗癌性多吡啶类配合物分子设计、计算机模拟及构效关系；生物酶催化反应机理的理论研究。