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近日，精密測量院研究團隊在雙模態分子影像領域取得突破，通過弛豫調控策略開發了一種高靈敏度氟-19磁共振-熒光雙模態成像（19F MRI-FLI）造影劑，在微摩爾分子濃度下實現了酸-堿響應性19F MRI-FLI雙模態成像，為開發兼具高靈敏度和刺激響應性的雙模態造影劑提供了新策略。相關研究成果近日發表在化學類綜合性期刊《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。
基于氟化四苯乙烯輪烷的響應性19F MRI-FLI雙模態造影劑
雙模態成像通過優勢互補能為生物醫學研究提供更精準、全面的影像信息。例如，FLI適合提供細胞和淺表組織的高靈敏影像，19F MRI適合提供深層組織的量化“熱點”影像，而FLI-19F MRI雙模態成像能提供從細胞到整體動物的全面精準信息，在疾病的機制與診斷、藥物的追蹤與療效監測等領域得到了廣泛應用。然而，19F MRI的靈敏度比FLI低1000倍以上，難以實現同一造影分子的雙模態成像和精準信息整合。
針對19F MRI靈敏度低的難題，團隊巧妙利用輪烷的機械鍵，高效對稱地整合4個氟化冠醚（輪），構建由144個磁等價氟原子組成的超強19F MRI信號源；同時，利用輪烷的互鎖結構調控氟原子的弛豫時間，實現了信號的快速采集。這些策略有效彌合了輪烷體系中19F MRI與FLI間的靈敏度差異，在微摩爾濃度下實現了雙模態成像。此外，四苯乙烯因運動受限觸發了聚集誘導熒光（AIE）效應，利用“輪-軸”間pH響應性的氫鍵生成和斷裂，實現了與“輪的駐停-穿梭”同步的FLI增強和削弱。
通過系統對比輪烷形成前后及其“駐停-穿梭”狀態的核磁與熒光信號變化和分子動力學計算，研究團隊發現輪烷R5F結構中4個氟化冠醚（輪）均以“C”型構象串在四苯乙烯母核（軸）上，此時“輪-軸”間的氫鍵和位阻效應、苯環間的π-π作用以及含氟基團間氟碳相互作用共同限制了氟原子和四苯乙烯的運動，顯著增強了19F MRI和FLI信號，實現了16 μM分子濃度下的快速19F MRI和pH響應性FLI。該研究不僅發展了目前靈敏度最高的19F MRI-FLI雙模態造影分子，也為輪烷類分子機器的動力學研究和結構設計提供了全新視角。
輪烷氫鍵斷裂導致的構象變化（a）；R5F的19F NMR（b）；輪WF、[5]輪烷R5F及R’5F的19F弛豫時間（T1和T2，c）和對應19F MRI（d）；R5F的pH響應FLI（e）
該研究成果以“Mechanical Interlocking of 144 Symmetrical 19F and Tetraphenylethylene for Magnetic Resonance-Fluorescence Dual Imaging”為題發表在化學類綜合性期刊《美國化學會志》上。精密測量院博士生楊蘭、博士后王方和副研究員李昱為文章共同第一作者，研究員江中興和陳世楨為通訊作者。
該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院先導專項和中國科學院青年交叉團隊項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c00429