A high-performance cell-labeling NIR-II dye for in vivo cell tracking

Abstract

Fluorescent dyes that emit in the second near-infrared (NIR-II, 1000–3000 nm) region have provided significant advances toward real-time and high-resolution imaging of vessel and lymphatic system. However, in vivo NIR-II tracking of the fate of labeled cells still remains challenging. Here, we develop a shielding unit–donor–acceptor–donor–shielding unit (S-D-A-D-S) NIR-II fluorophore (FE-4ZW) with zwitterionic terminal groups for high-efficiency cell labeling without using cell-penetrating peptides, which provides for enhanced noninvasive in vivo determination of the location of cell migration. The tethering terminal sulfoammonium inner salts are featured with its high affinity for cell membranes, thereby enabling the stable labeling even for fixed cells. The fate of transplanted stem cell and the tumor cell migration along lymphatic system in brain or periphery tissues are clearly monitored by the cell-internalized FE-4ZW. We also confirmed that a clinically used surfactant, D-α-tocopheryl polyethylene glycol-1000 succinate, can reduce the liver and spleen uptake of FE-4ZW. The fluorophore design strategy and cell-labeling technology reported here open a new realm in the visualization of cell migration and insight into the relocation process, thereby ultimately providing an opportunity to investigate in greater detail of the underlying mechanisms of stem cell therapy and tumor metastasis.

Keywords

brain tumour cell migration / glymphatic system / high-performance cell labeling / in vivo cell tracking / NIR-II bioimaging / organic NIR-II dye

References

[1] a) S. He, J. Song, J. Qu, Z. Cheng, Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 4258; b) A. L. Antaris, H. Chen, K. Cheng, Y. Sun, G. S. Hong, C. R. Qu, S. Diao, Z. X. Deng, X. M. Hu, B. Zhang, X. D. Zhang, O. K. Yaghi, Z. R. Alamparambil, X. C. Hong, Z. Cheng, H. J. Dai, Nat. Mater. 2016, 15, 235; c) Kenry, Y. Duan, B. Liu, Adv.Mater. 2018, 30, 1802394; d) Z. Hu, C. Fang, B. Li, Z. Zhang, C. Cao, M. Cai, S. Su, X. Sun, X. Shi, C. Li, T. Zhou, Y. Zhang, C. Chi, P. He, X. Xia, Y. Chen, S. S. Gambhir, Z. Cheng, J. Tian, Nat. Biomed. Eng. 2020, 4, 259; e) F. Zhang, C. Yao, Y. Chen, M. Zhao, S. Wang, B. Wu, D. Yin, B. Shi, Y. Yang, G. Xu, P. Yu, H. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 61, e202114273; f) P. Wang, Y. Fan, L. Lu, L. Liu, L. Fan, M. Zhao, Y. Xie, C. Xu, F. Zhang, Nat. Commun. 2018, 9, 2898; g) X. Zeng, Y. Xiao, J. Lin, S. Li, H. Zhou, J. Nong, G. Xu, H. Wang, F. Xu, J. Wu, Z. Deng, X. Hong, Adv. Healthc. Mater. 2018, 7, 1800589; h) Y. Sun, M. Ding, X. Zeng, Y. Xiao, H. Wu, H. Zhou, B. Ding, C. Qu, W. Hou, A. G. A. Er-bu, Y. Zhang, Z. Cheng, X. Hong, Chem. Sci. 2017, 8, 3489; i) Y. Q. Yang, X. X. Fan, L. Li, Y. M. Yang, A. Nuernisha, D. W. Xue, C. He, J. Qian, Q. L. Hu, H. Chen, J. Liu, W. Huang, ACS Nano. 2020, 14, 2509; j) G. Xu, Q. Yan, X. Lv, Y. Zhu, K. Xin, B. Shi, R. Wang, J. Chen, W. Gao, P. Shi, C. Fan, C. Zhao, H. Tian, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3626; k) Z. Sheng, Y. Li, D. Hu, T. Min, D. Gao, J.-S. Ni, P. Zhang, Y. Wang, X. Liu, K. Li, H. Zheng, B. Z. Tang, Research 2020, 2020, 4074593; l) C. Wang, H. Lin, X. Ge, J. Mu, L. Su, X. Zhang, M. Niu, H. Yang, J. Song, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009942; m) F. Xiao, L. Lin, Z. Chao, C. Shao, Z. Chen, Z. Wei, J. Lu, Y. Huang, L. Li, Q. Liu, Y. Liang, L. Tian, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9702.

[2] a) X. Luo, D. Hu, D. Gao, Y. Wang, X. Chen, X. Liu, H. Zheng, M. Sun, Z. Sheng, ACS Nano. 2021, 15, 10010; b) L. Lu, B. Li, S. Ding, Y. Fan, F. Zhang, Nat. Commun. 2020, 11, 4192.

[3] a) A. Louveau, I. Smirnov, T. J. Keyes, J. D. Eccles, S. J. Rouhani, J. D. Peske, N. C. Derecki, D. Castle, J. W. Mandell, K. S. Lee, T. H. Harris, J. Kipnis, Nature 2015, 523, 337; b) E. Song, T. Y. Mao, H. P. Dong, L. S. B. Boisserand, S. Antila, M. Bosenberg, K. Alitalo, J. L. Thomas, A. Iwasaki, Nature 2020, 577, 689; c) A. Louveau, J. Herz, M. N. Alme, A. F. Salvador, M. Q. Dong, K. E. Viar, S. G. Herod, J. Knopp, J. C. Setliff, A. L. Lupi, S. Da Mesquita, E. L. Frost, A. Gaultier, T. H. Harris, R. Cao, S. Hu, J. R. Lukens, I. Smirnov, C. C. Overall, G. Oliver, J. Kipnis, Nat. Neurosci. 2018, 21, 1380.

[4] a) G. C. Chen, Y. J. Zhang, C. Y. Li, D. H. Huang, Q. W. Wang, Q. B. Wang, Adv. Healthc. Mater. 2018, 7, 1800497; b) D. Wu, S. Cheung, G. Sampedro, Z.-L. Chen, R. A. Cahill, D. F. O’Shea, Biochim. Biophys. Acta Biomembr. 2018, 1860, 2272; c) D. D. Chen, Q. Li, Z. H. Meng, L. Guo, Y. Tang, Z. H. Liu, S. Y. Yin, W. P. Qin, Z. Yuan, X. J. Zhang, C. F. Wu, Theranostics 2017, 7, 1820; d) G. C. Chen, Y. H. Cao, Y. X. Tang, X. Yang, Y. Y. Liu, D. H. Huang, Y. J. Zhang, C. Y. Li, Q. B. Wang, Adv. Sci. 2020, 7, 1903783; e) S. H. Kim, J. H. Park, J. S. Kwon, J. G. Cho, K. G. Park, C. H. Park, J. J. Yoo, A. Atala, H. S. Choi, M. S. Kim, S. J. Lee, Biomaterials 2020, 258, 120267; f) D. M. Shcherbakova, M. Baloban, A. V. Emelyanov, M. Brenowitz, P. Guo, V. V. Verkhusha, Nat. Commun. 2016, 7, 12405; g) G. S. Filonov, K. D. Piatkevich, L.-M. Ting, J. Zhang, K. Kim, V. V. Verkhusha, Nat. Nanotechnol. 2011, 29, 757; h) J. Zhang, Y. Jia, X. Xing, M. Qin, G. Zhao, SmartMat. 2021, 2, 554.

[5] Y. Zhang, S. Wang, X. Wang, Q. Zan, X. Yu, L. Fan, C. Dong, Anal. Bioanal. Chem. 2021, 413, 3823.

[6] a) T. Wang, S. F. Wang, Z. Y. Liu, Z. Y. He, P. Yu, M. Y. Zhao, H. X. Zhang, L. F. Lu, Z. X. Wang, Z. Y. Wang, W. A. Zhang, Y. Fan, C. X. Sun, D. Y. Zhao, W. M. Liu, J. C. G. Bunzli, F. Zhang, Nat. Mater. 2021, 20, 1571; b) F. Wang, H. Wan, Z. Ma, Y. Zhong, Q. Sun, Y. Tian, L. Qu, H. Du, M. Zhang, L. Li, H. Ma, J. Luo, Y. Liang, W. J. Li, G. Hong, L. Liu, H. Dai, Nat. Methods 2019, 16, 545; c) D. Huang, S. Lin, Q. Wang, Y. Zhang, C. Li, R. Ji, M. Wang, G. Chen, Q. Wang, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806545; d) Z. Feng, T. Tang, T. Wu, X. Yu, Y. Zhang, M. Wang, J. Zheng, Y. Ying, S. Chen, J. Zhou, X. Fan, S. Li, M. Zhang, J. Qian, Light-Sci. Appl. 2021, 10, 197.

[7] a) H. Chen, H. X. Yang, C. Zhang, S. Chen, X. Zhao, M. Zhu, Z. M. Wang, Y. B. Wang, H. T. Wo, K. Li, Z. Cheng, Research 2021, 2021, 9798580; b) G. C. Chen, F. Tian, C. Y. Li, Y. J. Zhang, Z. Weng, Y. Zhang, R. Peng, Q. B. Wang, Biomaterials 2015, 53, 265; c) G. Chen, S. Lin, D. Huang, Y. Zhang, C. Li, M. Wang, Q. Wang, Small 2018, 14, 141702679; d)N. Liao, L. Su, Y. Cao, L. Qiu, R. Xie, F. Peng, Z. Cai, X. Liu, J. Song, Y. Zeng, ACS Nano. 2022, 16, 2889; e) S. Y. Hua, S. H. Zhong, A. Hamed, J. He, D. N. Zhong, D. X. Zhang, X. Y. Chen, J. Qian, X. Y. Hu, M. Zhou, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2100468; f) C. Yin, G. H. Wen, C. Liu, B. G. Yang, S. E. Lin, J. W. Huang, P. C. Zhao, S. H. D. Wong, K. Y. Zhang, X. Y. Chen, G. Li, X. H. Jiang, J. P. Huang, K. Y. Pu, L. D. Wang, L. M. Bian, ACS Nano. 2018, 12, 12201; g) Y. X. Li, M. L. Zha, T. Y. Kang, C. Li, X. Wu, S. X. Wang, S. B. Lu, Y. S. Lee, Y. R. Wu, J. S. Ni, K. Li, Small 2022, 18, 2105362; h) Z. Li, T. Li, C. Zhang, J.-S. Ni, Y. Ji, A. Sun, D. Peng, W. Wu, L. Xi, K. Li, Anal. Chem. 2021, 93, 8467.

[8] a) X. T. Hu, Q. P. Deng, L. Ma, Q. Q. Li, Y. D. Chen, Y. H. Liao, F. Zhou, C. Zhang, L. L. Shao, J. Feng, T. B. He, W. H. Ning, Y. Kong, Y. Q. Huo, A. B. He, B. Liu, J. J. Zhang, R. Adams, Y. L. He, F. C. Tang, X. W. Bian, J. C. Luo, Cell Res. 2020, 30, 229; b) Y. Yue, W. Zong, X. Li, J. Li, Y. Zhang, R. Wu, Y. Liu, J. Cui, Q. Wang, Y. Bian, X. Yu, Y. Liu, G. Tan, Y. Zhang, G. Zhao, B. Zhou, L. Chen, W. Xiao, H. Cheng, A. He, Nat. Cell Biol. 2020, 22, 332; c) C. A. Dawson, S. N. Mueller, G. J. Lindeman, A. C. Rios, J. E. Visvader, Nat. Protoc. 2021, 16, 1907;

[9] a) B. Du, C. Qu, K. Qian, Y. Ren, Y. Li, X. Cui, S. He, Y. Wu, T. Ko, R. Liu, X. Li, Y. Li, Z. Cheng, Adv. Opt. Mater. 2020, 8, 1901471; b) M. Chen, S. Feng, Y. Yang, Y. Li, J. Zhang, S. Chen, J. Chen, Nano Res. 2020, 13, 3123.

[10] a) S. Zhu, Q. Yang, A. L. Antaris, J. Yue, Z. Ma, H. Wang, W. Huang, H. Wan, J. Wang, S. Diao, B. Zhang, X. Li, Y. Zhong, K. Yu, G. Hong, J. Luo, Y. Liang, H. Dai, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2017, 114, 962; b) Q. L. Yang, Z. R. Ma, H. S. Wang, B. Zhou, S. J. Zhu, Y. T. Zhong, J. Y. Wang, H. Wan, A. Antaris, R. Ma, X. Zhang, J. Y. Yang, X. D. Zhang, H. T. Sun, W. Q. Liu, Y. Y. Liang, H. J. Dai, Adv.Mater. 2017, 29, 1605497; c) X.-D. Zhang, H. Wang, A. L. Antaris, L. Li, S. Diao, R. Ma, A. Nguyen, G. Hong, Z. Ma, J. Wang, S. Zhu, J. M. Castellano, T. Wyss-Coray, Y. Liang, J. Luo, H. Dai, Adv. Mater. 2016, 28, 6872; d) Q. Yang, Z. Hu, S. Zhu, R. Ma, H. Ma, Z. Ma, H. Wan, T. Zhu, Z. Jiang, W. Liu, L. Jiao, H. Sun, Y. Liang, H. Dai, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1715.

[11] A. Trounson, R. G. Thakar, G. Lomax, D. Gibbons, BMC Med. 2011, 9, 52.

[12] Y. Dai, Z. Yang, S. Cheng, Z. Wang, R. Zhang, G. Zhu, Z. Wang, B. C. Yung, R. Tian, O. Jacobson, C. Xu, Q. Ni, J. Song, X. Sun, G. Niu, X. Chen, Adv. Mater. 2018, 30, 1704877.

[13] a) T. C. Lovell, S. G. Bolton, J. P. Kenison, J. Shangguan, C. E. Otteson, F. Civitci, X. Nan, M. D. Pluth, R. Jasti, ACSNano. 2021, 15, 15285; b) N. Zhou, S. Zhu, S. Maharjan, Z. Hao, Y. Song, X. Zhao, Y. Jiang, B. Yang, L. Lu, RSC Adv. 2014, 4, 62086.

[14] P. Assinck, G. J. Duncan, B. J. Hilton, J. R. Plemel, W. Tetzlaff, Nat. Neurosci. 2017, 20, 637.

[15] a) J. J. Iliff, M. Wang, Y. Liao, B. A. Plogg, W. Peng, G. A. Gundersen, H. Benveniste, G. E. Vates, R. Deane, S. A. Goldman, E. A. Nagelhus, M. Nedergaard, Sci. Transl. Med. 2012, 4, 147; b) J. J. Iliff, M. Wang, D. M. Zeppenfeld, A. Venkataraman, B. A. Plog, Y. Liao, R. Deane, M. Nedergaard, J. Neurosci. 2013, 33, 18190; c) L. Xie, H. Kang, Q. Xu, M. J. Chen, Y. Liao, M. Thiyagarajan, J. O’Donnell, D. J. Christensen, C. Nicholson, J. J. Iliff, T. Takano, R. Deane, M. Nedergaard, Science 2013, 342, 373.

[16] X. Li, L. Qi, D. Yang, S. Hao, F. Zhang, X. Zhu, Y. Sun, C. Chen, J. Ye, J. Yang, L. Zhao, D. M. Altmann, S. Cao, H. Wang, B. Wei, Nat. Neurosci. 2022, 25, 577.

[17] R. Tian, H. Ma, Q. Yang, H. Wan, S. Zhu, S. Chandra, H. Sun, D. O. Kiesewetter, G. Niu, Y. Liang, X. Chen, Chem. Sci. 2019, 10, 326.

[18] X. Wang, N. Rivera-Bolanos, B. Jiang, G. A. Ameer, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1809009.

[19] G. P. Gupta, J. Massague, Cell 2006, 127, 679.

[20] a) H. S. Choi, K. Nasr, S. Alyabyev, D. Feith, J. H. Lee, S. H. Kim, Y. Ashitate, H. Hyun, G. Patonay, L. Strekowski, M. Henary, J. V. Frangioni, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 6258; b) C. Yang, H. Wang, S. Yokomizo, M. Hickey, H. Chang, H. Kang, T. Fukuda, M. Y. Song, S. Y. Lee, J. W. Park, K. Bao, H. S. Choi, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 13847.

RIGHTS & PERMISSIONS

2024 The Authors. View published by Shanghai Fuji Technology Consulting Co., Ltd, authorized by Professional Community of Experimental Medicine, National Association of Health Industry and Enterprise Management (PCEM) and John Wiley & Sons Australia, Ltd.