Organic fluorophores have been widely used for biological imaging in the visible and the first near-infrared windows. However, their application in the second near-infrared window (NIR-II, 1000–1700 nm) is still limited mainly due to low fluorescence quantum yields (QYs). Here, we explore molecular engineering on the donor unit to develop high performance NIR-II fluorophores. The fluorophores are constructed by a shielding unit–donor(s)–acceptor–donor(s)–shielding unit structure. Thiophene is introduced as the second donor connected to the shielding unit, which can increase the conjugation length and red-shift the fluorescence emission. Alkyl thiophene is employed as the first donor connected to the acceptor unit. The bulky and hydrophobic alkyl thiophene donor affords larger distortion of the conjugated backbone and fewer interactions with water molecules compared to other donor units studied before. The molecular fluorophore IR-FTAP with octyl thiophene as the first donor and thiophene as the second donor exhibits fluorescence emission peaked at 1048 nm with a QY of 5.3% in aqueous solutions, one of the highest for molecular NIR-II fluorophore reported so far. Superior temporal and spatial resolutions have been demonstrated with IR-FTAP fluorophore for NIR-II imaging of the blood vessels of a mouse hindlimb.

A new design for second near-infrared window (NIR-II) molecular fluorophores based on a shielding unit–donor–acceptor–donor–shielding unit (S-D-A-D-S) structure is reported. With 3,4-ethylenedioxy thiophene as the donor and fluorene as the shielding unit, the best performance fluorophores IR-FE and IR-FEP exhibit an emission quantum yield of 31% in toluene and 2.0% in water, respectively, representing the brightest organic dyes in NIR-II region reported so far. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Abstract Fluorescence imaging of biological systems in the second near-infrared (NIR-II, 1000–1700 nm) window has shown promise of high spatial resolution, low background, and deep tissue penetration owing to low autofluorescence and suppressed scattering of long wavelength photons. Here we develop a bright organic nanofluorophore (named p-FE) for high-performance biological imaging in the NIR-II window. The bright NIR-II >1100 nm fluorescence emission from p-FE affords non-invasive in vivo tracking of blood flow in mouse brain vessels. Excitingly, p-FE enables one-photon based, three-dimensional (3D) confocal imaging of vasculatures in fixed mouse brain tissue with a layer-by-layer imaging depth up to ~1.3 mm and sub-10 µm high spatial resolution. We also perform in vivo two-color fluorescence imaging in the NIR-II window by utilizing p-FE as a vasculature imaging agent emitting between 1100 and 1300 nm and single-walled carbon nanotubes (CNTs) emitting above 1500 nm to highlight tumors in mice.

The significantly reduced tissue autofluorescence and scattering in the NIR-II region (1000-1700 nm) opens many exciting avenues for detailed investigation of biological processes in vivo. However, the existing NIR-II fluorescent agents, including many molecular dyes and inorganic nanomaterials, are primarily focused on complicated synthesis routes and unknown immunogenic responses with limited potential for clinical translation. Herein, the >1000 nm tail emission of conventional biocompatible NIR cyanine dyes with emission peaks at 700-900 nm is systematically investigated, and a type of bright dye for NIR-II imaging with high potential for accelerating clinical translation is identified. The asymmetry of the π domain in the S

Significance Fluorescence-based optical imaging is an important tool allowing researchers and clinicians to molecularly probe wide-ranging biological structures and processes. To break through the traditional molecular imaging window spanning from the visible to the near-infrared (NIR)-I (400–900 nm) region for imaging multiplicity, newly designed and ultrapurified fluorescent probe-antibody conjugates with fluorescence emissions in the NIR-II region (1,000–1,700 nm) have been developed. These NIR-II probes can reduce background autofluorescence for deep-tissue molecular imaging in a 3D imaging mode. These probes open up more and deeper nonoverlapping molecular imaging channels for complex biological systems.

The efficacy of immunotherapy in treating triple-negative breast cancer (TNBC) has been restricted due to its low immunogenicity and suppressive immune microenvironment. Bacterial outer membrane vesicles (OMVs) have emerged as innovative immunotherapeutic agents in antitumor therapy by stimulating the innate immune system, but intricate modifications and undesirable multiple dose administration severely hinder their utility. Herein, a two-step bacterial metabolic labeling technique was utilized for the bioorthogonal engineering of OMVs. At first, d-propargylglycine (DPG, an alkyne-containing d-amino acid) was introduced into the incubation process of probiotic Escherichia coli 1917 (Ecn) to produce DPG-functionalized OMVs, which were subsequently conjugated with azide-functionalized new indocyanine green (IR820) to yield OMV-DPG-IR820. The combination of phototherapy and immunostimulation of OMV-DPG-IR820 effectively arouses adaptive immune responses, causing maturation of dendritic cells, infiltration of T cells, repolarization of the M2 macrophage to the M1 macrophage, and upregulation of inflammatory factors. Remarkably, OMV-DPG-IR820 demonstrated tumor-targeting capabilities with guidance provided by near-infrared II (NIR-II) fluorescence imaging, leading to remarkable inhibition on both primary and distant tumors and preventing metastasis without causing noticeable adverse reactions. This study elucidates a sophisticated bioorthogonal engineering strategy for the design and production of functionalized OMVs and provides novel perspectives on the microbiome-mediated reversal of TNBC through a precise and efficient immunotherapy.