编辑推荐：
光声成像（PAI）作为新兴的生物医学成像方式，缺乏预测小分子染料性能的基准参数。研究人员开展了关于确定 PAI 中小分子染料性能基准参数的研究，发现声学响度因子（ALF），其能有效预测 PA 信号，对 PAI 发展意义重大。
在生物医学成像领域，光声成像（PAI）近年来崭露头角。它巧妙地结合了光学和超声成像的优势，能实现厘米级的成像深度，为生物医学研究和临床诊断带来了新的希望。与传统的荧光成像相比，PAI 可对深层组织结构进行无创成像，在生物医学领域有着广阔的应用前景。然而，PAI 的发展并非一帆风顺。目前，该领域缺乏一个能有效预测小分子染料性能的基准参数，这就像在黑暗中摸索前进，没有明确的方向。以往研究大多只是简单地将荧光染料重新用于 PAI，但效果并不理想，因为人们发现降低染料的荧光量子产率（Φ）并非增强 PA 信号的唯一途径，且缺乏基准参数导致该领域缺乏清晰的设计原则来优化小分子染料的 PA 信号。
为了解决这些难题，来自美国弗吉尼亚大学、杜克大学等多个机构的研究人员展开了深入研究。他们的努力取得了重要成果，发现了首个用于评估小分子染料在 PAI 中性能的基准参数 —— 声学响度因子（ALF）。这一发现意义非凡，它就如同为 PAI 领域点亮了一盏明灯，能在无需光声仪器的情况下预测染料性能，还可指导系统评估增强 PA 信号的设计策略，并且 ALF 的提升能够转化为体内 PAI 的优化，为 PAI 的进一步发展奠定了坚实基础。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在实验中，他们使用了多种光谱技术，如 UV - Vis - NIR 吸收光谱、荧光光谱等，来精确测量染料的光物理性质。通过定制的 3D 扫描线性阵列系统和商业的 VisualSonics 仪器进行光声成像（PAI），以获取 PA 信号强度数据。同时，利用高分辨率质谱和 NMR 光谱对合成的染料进行结构表征。
下面来详细看看研究结果：
- 声学响度因子的发现：研究人员筛选了一系列结构多样的染料，试图找出与 PA 信号输出相关的可观测实验参数。起初，他们尝试用之前描述的光声亮度因子（PABF）来关联 PA 强度，但效果不佳。经过深入研究，他们发现将非辐射衰减速率（knr）与摩尔消光系数（ε）相乘得到的声学响度因子（ALF，knr×ε），与 PA 信号强度呈现出很强的线性相关性（R2=0.9554）。这表明 ALF 能很好地预测 PA 信号，为后续研究奠定了基础。
- 非辐射衰减机制的探究：研究人员以NR700为研究对象，通过添加碘化钾（KI）诱导系间窜越（ISC）来调节knr，进而研究三重态非辐射衰减对 PA 信号产生的贡献。结果发现，虽然添加 KI 增加了knr，但 PA 信号却下降了。这可能是因为罗丹明染料的三重态寿命较长，与当前 PAI 仪器的激光脉冲时间不匹配，导致在高 KI 浓度下基态耗尽。这一结果提示在使用 ALF 时，需要谨慎考虑染料的三重态寿命等因素。
- 不同结构修饰对 ALF 和 PA 信号的影响
- 大体积烷基转子染料（BAR）：研究人员合成了一系列 BAR 修饰的 NR 染料。实验结果显示，BAR 修饰增加了染料的 ε 和knr，从而提高了 ALF 值。在比较等浓度染料的 PA 信号时，NR706?iPr、NR716?Cp和NR716?Ch相对于NR700的 PA 信号分别增强了 49%、114% 和 51%，这与 ALF 的预测结果一致。这表明 BAR 修饰可有效提高染料的 PA 性能，同时也验证了 ALF 在指导 PA 探针设计方面的实用性。
- 构象限制染料（CR）：研究人员合成了一系列含有 CR 修饰的 NR 染料，如NR773、NR778等。实验发现，这些染料的knr增加，在每光子基础上，NR773和NR778产生 PA 信号的效率比NR700分别提高了 119% 和 330%；在等浓度条件下，PA 信号分别增强了 123% 和 97%。而对于NR702，虽然其 ε 增加，但knr下降，导致每光子产生 PA 信号的效率降低，但等浓度下 PA 发射几乎相同，这都符合 ALF 的预测。这说明 CR 对 PA 增强的效果与位置有关，进一步凸显了 ALF 在研究 PA 信号产生的结构 - 活性关系中的作用。
- 具有不对称诱导振动耦合的染料（AIVC）：研究人员设计合成了NR727、NR735等不对称染料以及含有特殊结构的NR812。这些染料表现出增加的斯托克斯位移，表明存在增强的振动耦合。虽然 AIVC 通常会降低染料的 ε，但显著增加了knr。例如，NR735的knr相比NR700增加了 1290%，在等浓度下 PA 信号增强了 164%，与 ALF 的预测相符。这表明 AIVC 修饰在 PA 探针设计中具有很大潜力。
- ALF 在体内 PAI 中的应用：研究人员利用 ALF 筛选出NR773作为体内 PAI 的候选染料。实验表明，NR773在生理 pH 下稳定性良好，能穿过细胞膜且无细胞毒性。将NR773与SNR700进行体内 PAI 比较，发现NR773的 PA 强度平均增加了 590%，远超体外实验中的 123%。这表明 ALF 能有效指导体内 PAI 探针的设计，且在体内环境中，ALF 的提升确实能转化为更强的 PA 信号。
在研究结论和讨论部分，研究人员成功发现了 ALF 这一关键参数，它能够在无需 PAI 仪器的情况下预测 PA 信号，为 PAI 领域提供了重要的评估工具。通过研究不同机制对knr的调节及其对 PA 信号输出的影响，验证了 ALF 在预测 PA 信号变化方面的准确性（平均误差 9.8%）。利用 ALF 指导设计的新型染料，在 PA 信号增强方面取得了显著成果，如NR735的摩尔信号生成效率（MSGE）提高了 164%，NR812的每光子信号生成效率（SGE）提高了 459%。最重要的是，研究证明了 ALF 在体内 PAI 中的有效性，NR773在体内展现出良好的 PA 性能。这一系列成果为 PAI 的发展开辟了新道路，就像为该领域搭建了一座坚固的桥梁，使研究人员能够更有方向地设计和优化小分子染料，推动 PAI 在生物医学研究和临床诊断中的广泛应用，有望为疾病的早期诊断和精准治疗带来新的突破。
