NIR-II有机探针实现活体单免疫细胞迁移的高时间分辨率成像

体内单细胞追踪技术对于理解免疫细胞在生理和病理过程中的迁移与相互作用至关重要。传统可见光或近红外一区的荧光探针穿透深度有限且自发荧光强，而NIR-II荧光团虽具有优越的组织穿透性，但其亮度普遍较低，难以满足视频速率（>30 fps）成像的需求。受能隙定律限制，长波长材料通常量子产率下降，且NIR-II分子荧光团在水溶液中因与水分子的强相互作用导致非辐射衰减加剧，荧光量子产率较有机相降低80%–90%。因此，开发兼具高摩尔消光系数和高量子产率、且在水环境中抗淬灭的NIR-II有机探针，是实现活体高时间分辨率单细胞追踪的关键。

针对上述难题，研究团队基于二苯胺取代和反离子配对的花菁染料（DCPDs）构建了一系列超亮NIR-II有机探针。其中，DCPD7在二氯甲烷中表现出极高的摩尔消光系数（ε= 217830 M⁻¹cm⁻¹）和绝对荧光量子产率（Φl = 9.48%）。通过PCL-b-PEG两亲性嵌段共聚物包覆形成胶束后，DCPD7在水溶液中的亮度仍高达5341 M⁻¹cm⁻¹。机理研究表明，二苯胺基团有效降低了聚集诱导淬灭效应，而四(五氟苯基)硼酸根反离子（F2-TPB）通过空间位阻和疏水作用显著减少了染料与水分子之间的相互作用，二者协同提升了胶束化探针在水环境中的抗淬灭性能。

图1 . (a) 浸泡于不同深度脂肪乳溶液中、装载 DCPD7 探针的毛细管NIR‑II 荧光图像。

(b)填充 DCPD7 探针的毛细管在不同深度处的信噪比（SBR）

（c）心脏荧光强度随时间变化曲线，展示由 DCPD7 记录得到的心脏搏动信号。

（d）DCPD7 探针用于活体全身血管成像的荧光图像。

（e）对图 (d) 中虚线位置作截面强度剖面，得到对应的血管信噪比（SBR）。

(f) 在不同 NIRII 成像窗口下对填充 DCPD7 探针的毛细管成像得到的信噪比（SBR）。(g) 分别采用 DCPD7 探针与 ErNPs 记录得到的小鼠脑血管时序图像；

(h) 对应的信噪比（SBR）结果。

在活体成像中，DCPD7成功记录了清醒小鼠326次/分的心率，并清晰勾勒出全身血管结构，血管信噪比超过8。进行脑脉管动态成像时，DCPD7获得的信噪比（>20）与Er掺杂无机纳米颗粒（ErNPs）相当，而注射剂量仅为后者的两个数量级之一（0.04 mg/只），展现出优异的生物安全性和临床转化潜力。研究团队进一步利用DCPD7标记中性粒细胞，在 middle cerebral artery occlusion（MCAO）脑卒中模型小鼠中实现了视频速率（~50 fps）的活体单细胞追踪。通过微流控系统验证，视频速率成像可准确重建微珠运动轨迹，计算得到的移动角度、行程距离和速度等参数与真实值高度一致，而低帧率成像（<10 fps）则产生显著偏差。在MCAO小鼠脑内，中性粒细胞表现出自由流动、停走和限制性迁移等多种运动模式，其迁移速度随接近血管外渗部位而逐渐降低（从16.6 μm/min降至0.33 μm/min）。研究还发现，系统性输注的间充质干细胞（MSCs）可归巢至卒中损伤脑区，中性粒细胞在接近MSCs时表现出巡逻式迁移，速度从距离>50 μm时的72.7 μm/s降至<5 μm时的5.9 μm/s，接触时间约5秒，表明中性粒细胞对MSCs进行了主动扫描与识别。

该研究开发的超亮NIR-II有机探针DCPDs突破了现有NIR-II荧光团亮度不足的瓶颈，首次实现了活体深层组织中单免疫细胞迁移的视频速率追踪，为解析免疫细胞在天然环境中的动态行为及细胞间相互作用提供了强有力的工具。结合动作识别和机器学习等计算方法，该策略有望进一步推动对免疫应答和疾病相关生物过程的实时信息解读，在生物传感与治疗应用领域展现出广阔前景。

图2. (a) 用于在体成像间充质干细胞与中性粒细胞的实验方案及时间流程示意图。

(b) DCPD3 对间充质干细胞的体外标记。  

(c) 经/未经 DCPD3 标记的间充质干细胞试管荧光图像。  

(d) 不同注射后时间点下，归巢至 MCAO 小鼠脑部的间充质干细胞无创在体成像。

(e) 不同时间点MCAO小鼠脑内的间充质干细胞平均数量。

(f) DCPD3与DCPD7的荧光发射光谱。

(g) 不同时间点中间充质干细胞‑中性粒细胞相互作用的典型在体时序成像图。

(h) 中性粒细胞向被滞留的间充质干细胞周围迁移的最大强度投影（MIP）图像。

参考文献：

Y. Chen, Y. Yang, B. Yun, Z. He, H. Zhang, Q. Jiang, W. Li, A. Liang, L. Wang, B.‑Z. Qian, F. Zhang. High Temporal‑Resolution Imaging Single Immune Cell Migration in Vivo by Ultrabright NIR‑II Organic Probes. Adv. Mater. 2026, 38: e2516197. https://doi.org/10.1002/adma.202516197.