综述：基于咔唑骨架的近红外荧光探针在生物成像领域的研究进展

《Journal of Molecular Structure》：Research progress on a near-infrared fluorescence probe composed of carbazole skeleton for biological imaging

　　钱建强|顾雅琴|王志豪|潘明世|李定定|丁金峰中国药科大学摘要荧光成像已成为生物医学研究中不可或缺的无创工具，它能够呈现人眼无法观测的病变组织，有助于区分健康与病理组织。在各种成像技术中，近红外荧光成像克服了传统荧光方法的诸多局限，如强烈的组织吸收、散射以及背景自荧光问题。近红外成像能够更深入地穿透组织，并在活体环境中提供更高的时间和空间分辨率。因此，该技术被广泛应用于生命科学研究、医学诊断、图像引导手术以及药物研发领域。咔唑衍生物因其优异的光物理性质、化学稳定性以及合成多样性，成为荧光成像领域的理想材料。尽管这类化合物在光电子学领域，尤其是有机发光二极管中得到了广泛应用，但由于其发射波长较短（约368纳米）且生物相容性不足，其在生命科学领域的应用仍然有限。本综述总结了近年来用于生物传感、生物成像及治疗诊断的具有较长近红外发射波长的咔唑基荧光团的发展与应用进展，同时探讨了针对生物成像设计的近红外发射咔唑探针的合理设计策略。引言荧光成像技术因其具有高灵敏度[1,2]、快速响应[3,4]、良好选择性[5,6]、设备简单[7]，以及能够在活细胞和活体中进行实时检测的能力[8,9]，而被广泛使用。尽管有多种荧光有机化合物已应用于临床，如吲哚菁绿和亚甲蓝[10]，但这些试剂仍存在诸多局限性，如靶向能力弱、选择性差[11]、斯托克斯位移小[12]、易受光降解影响[13]、信噪比低[14,15]、摩尔消光系数低[16]、光稳定性差[17]、荧光量子产率低[18]，以及组织穿透力有限[14]，这些缺陷限制了它们在实时生物成像中的应用。随着荧光成像技术的发展，近红外荧光探针越来越受到关注，它们有效解决了传统荧光染料存在的诸多问题。近红外探针的发射波长通常在650-900纳米之间[19,20]，具有细胞损伤小[21,22]、组织穿透能力强[20,[23], [24], [25], [26], [27]]、背景自荧光低[7,28,29]等优势。因此，这类探针被广泛应用于各种复杂的生物系统中，包括体外模型（如细胞、组织及细菌）和体内模型（如小鼠和斑马鱼），可实现高灵敏度的检测、实时追踪以及生物分子的高分辨率成像[图1]。在用于设计近红外荧光团的各类分子骨架中，咔唑因其独特的光物理和电子性质而显得尤为出色。咔唑是一种含氮的杂环芳香化合物[37]，1872年由Graebe和Glaser在煤焦油中首次发现[38]，后来发展成为具有多种应用价值的重要化合物[39]。从结构上看，咔唑由两个苯环与一个吡咯环融合而成，也被称为二苯并吡咯或9-氮杂荧光烯。咔唑结构具有轴对称性、优异的载流子迁移率以及刚性的平面结构，通常充当电子供体。其衍生物被广泛应用于生物制药[40,41,42,43]、太阳能电池[44,45,46,47,48]、有机发光二极管[37,49,50]以及荧光传感器[51,52,53,54,55]等领域。它们之所以能得到广泛应用，得益于易于获取的前体物质[39,56,57]、良好的热稳定性[58]、易于进行结构修饰[59,60]、出色的光物理性质[61,62,63,64]，以及良好的生物活性[65,66,67,68]（图2）。然而，基于咔唑的荧光团与传统荧光染料一样，也存在一些局限性，如斯托克斯位移小、发光效率低、易发生聚集诱导熄灭现象，同时在生物应用中还存在信噪比低、选择性差、水溶性不足等问题[69,70]。尤其的是，由于聚集诱导熄灭效应，传统咔唑衍生物在固态下的发光效率往往较低，这严重限制了它们的实际应用价值。近年来，通过对咔唑骨架进行结构修饰，开发出具有聚集诱导发光特性的近红外探针成为一种有效策略。这种设计方式通过限制分子内部运动并促进聚集状态下的辐射衰减，有效解决了聚集诱导熄灭这一长期存在的问题。此类设计策略不仅提升了固态下的发光强度，还提高了光稳定性，并将发射波长扩展到近红外区域，使得这些新型咔唑基探针在高分辨率生物成像和传感应用中展现出巨大潜力[71,72,73]。未经修饰的咔唑骨架通常对生物分子的识别选择性较低，这主要是由于其固有的疏水性和刚性平面结构[74]，这类结构容易与细胞膜及蛋白质的疏水口袋发生非特异性相互作用[75]，或者通过疏水作用和π–π堆积使核酸碱基之间形成配对。此类非特异性吸附会增加背景荧光，从而干扰对特定生物靶标——如离子、酶或细胞器——的检测和成像，进而显著降低信噪比。因此，目前设计基于咔唑的近红外探针的策略主要集中在对其咔唑核心进行合理的化学修饰，以提升其性能。迄今为止，已有多种基于咔唑骨架的近红外成像探针被开发出来，但关于这一新兴领域的综合性文献仍然较少。本综述介绍了几种近期报道的、具有改进近红外发射特性的咔唑衍生物，总结了它们的结构特征、光物理性质及生物应用前景。为清晰呈现本研究内容，根据不同的设计策略，将具有增强近红外发射特性的咔唑衍生物分为四类，同时系统总结了它们在生物成像中的代表性应用，包括细胞器靶向、体内肿瘤可视化以及生物活性分子的实时追踪，详见表1。最后，本文对相关研究进行了总结，并提出了未来发展方向，以进一步推动基于咔唑的近红外荧光探针在更多生物医学领域的应用。章节节选基于咔唑的近红外成像探针的分子设计策略由于咔唑核心具有高度对称性，对其的修饰主要集中在电子富集的C-3和/或C-6位，以及N-9位的胺基上[76]。(1) 具有近红外发射特性的咔唑衍生物通常是通过分子内电荷转移机制构建的。在这些分子复合体中，咔唑单元通常充当强电子供体。在光激发作用下，电子从供体转移到较强的……基于分子内电荷转移机制的荧光探针设计分子内电荷转移是一种光化学过程，其中电荷从供体传递到受体[84]。根据电子转移是发生在分子内部还是分子之间，这一过程可与分子间电荷转移相区分。在荧光探针领域，分子内电荷转移机制是一种传统的发光途径。基于该机制的荧光探针通常由一个电子供体集团和一个电子受体集团组成……基于扭曲分子内电荷转移机制的荧光探针设计扭曲分子内电荷转移荧光探针的设计策略是通过改变连接供体与受体的单键周围的旋转来检测目标物。在未结合、自由旋转状态下，由于激发态电子通过非辐射跃迁耗散能量，因此背景发射较弱。而当化学反应或物理约束限制了扭曲分子内电荷转移的旋转时，探针就会发出强烈的荧光。基于FRET机制的荧光探针设计FRET探针是一种基于FRET机制设计的比率型荧光探针[[121], [122], [123]]。这类探针包含两个荧光团[127,128]，一个作为能量供体，另一个作为荧光能量受体。当供体与受体之间的距离为110纳米时[126]，供体的荧光发射光谱会与受体的吸收光谱大幅重叠，此时供体可通过非辐射能量转移将能量传递给受体……基于光诱导电子转移机制的荧光探针设计光诱导电子转移是一种广泛用于荧光探针设计的本质信号传递机制。典型的基于光诱导电子转移的探针由三个关键部分组成：荧光团（如咔唑衍生物）、用于识别目标物的受体集团，以及连接两者的短间隔基团。在不存在目标分析物的情况下，受体与荧光团之间会发生分子内电子转移，导致激发态的非辐射衰减，进而引发荧光熄灭。一旦……结论与展望本综述系统总结了近年来基于咔唑骨架的近红外荧光探针的研究进展，咔唑作为一种具有强电子供体特性、高可修饰性及良好光稳定性的化合物，被广泛应用于生物成像、疾病诊断及治疗领域。论述围绕四种基本的光物理机制展开：分子内电荷转移、扭曲分子内电荷转移、FRET以及光诱导电子转移。在分子内电荷转移和扭曲分子内电荷转移体系中，咔唑都起着关键的电子供体作用，有助于实现显著的发射波长红移以及较大的……缩写词表缩写全称简要说明ICT分子内电荷转移指光激发后分子内部电子密度重新分布的过程，通常会导致较大的斯托克斯位移和溶剂色变效应。AIE聚集诱导发光指当分子聚集或形成固态时，其发光强度反而增强而非减弱的一种光物理现象。TICT扭曲分子内电荷转移是分子内电荷转移的一种特殊类型，涉及显著的构象变化。伦理声明我们已与所有参与者达成协议，所有实验均按照中国相关政策进行。作者贡献声明无。资金支持本研究未获得任何公共、商业或非营利机构提供的专项资助。未引用参考文献[101,102,109,124,125]CRediT作者贡献声明钱建强：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，项目管理，正式分析，概念构思。顾雅琴：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，研究实施，正式分析，概念构思。王志豪：写作——初稿撰写，验证，软件应用，正式分析，数据整理。潘明世：写作——初稿撰写，正式分析，数据整理。李定定：写作——初稿撰写，验证，软件应用，资源准备。丁金峰：利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢无。