荧光成像技术在生物医学领域起着举足轻重的作用,它可以实现细胞、组织及动物层面的实时观察。但很多荧光材料只有在溶液中才能比较好地发光,一旦聚集或成为固态,荧光就会消失,这种现象称为“聚集导致荧光猝灭”(Aggregation-Caused Quenching,ACQ),给荧光材料的应用带来了困扰。近年来,我国科学家发现了一种新的材料,具有与ACQ相反的性质,即在聚集状态下发出的荧光反而更强,称为“聚集诱导发光”(Aggregation-Induced Emission,AIE)。


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展

唐本忠院士


AIE是由香港科技大学唐本忠院士团队于2001年偶然发现的一种异常的发光现象。和传统荧光材料所具有的ACQ发光现象相反,具有AIE性质的荧光材料在溶液中以单分子形式存在时,激发态的电子通过分子内的运动回到基态;当分子处于聚集态时,分子内运动受限,激发态的电子只能通过辐射跃迁的方式回到基态,因而可以观察到荧光增强的现象。课题组在此基础上进行了一系列深入地探索研究,提出了聚集诱导发光的新概念,在诸多领域都取得了广阔的应用。


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展

AIE应用广阔


在生物检测和成像领域,经过科研工作者们十多年的努力与发展,AIE材料在生物检测、生物成像和诊疗一体化等方面都表现出了显著的优势,因此吸引了更多来自生物领域科学家的目光。近五年来,关于AIE材料在生物检测和成像的文章发表数量和引用总量稳固增加。从2012年到现在,已经有大于600篇关于AIE材料在生物检测和成像的SCI论文发表。本文将以这九篇文献来梳理和回顾AIE材料近十年以来在生物检测和成像领域的发展。


【开创篇】


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展


2010年,香港科技大学的唐本忠院士课题组利用双边修饰磺酸盐的四苯基乙烯(BSPOTPE)实现了对人血清蛋白(HSA)的检测和构象追踪。BSPOTPE的水溶性非常好,因而在水溶液中几乎没有荧光。当BSPOTPE与HSA结合,BSPOTPE会嵌入HSA的疏水腔中,因此四苯基乙烯的苯环运动受限,荧光增强。BSPOTPE可检测0-100nM浓度范围内的HSA,检测限可达1nM.


小结:这一时期的探针特异性较差,依靠四苯基乙烯的疏水性质与蛋白质疏水腔的作用,其他疏水性蛋白会对检测结果造成较大的影响,因此在后续工作中,在探针特异性较差的问题上做了很大的改进。


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展


2012年,新加坡国立大学的刘斌教授课题组首次将一段有识别性的多肽cRGD连接在四苯基噻咯上(TPS-2cRGD),实现了对整合素的特异性检测。整合素是很多肿瘤的生物标记,并且也是cRGD的受体。cRGD通过点击反应连接到四苯基噻咯上,cRGD本身较好的水溶性会大大降低四苯基噻咯在水中的背景荧光。当cRGD与整合素特异性结合,荧光增强。TPS-2cRGD在整合素的检测上有很好的特异性和灵敏度,检测限可达0.5μg/mL.除了溶液态的定量检测,TPS-2cRGD还可以与细胞膜上的整合素结合,实现特异性地癌细胞成像。


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展


同年,刘斌教授课题组报道了另外一种多肽与AIEgen结合的探针,TPE-KDVED-Ac.TPE-KDVED-Ac是由疏水的TPE荧光生色团和亲水的KDVED多肽部分组合而成,因而在水溶液中荧光背景很低。当半胱天冬酶与探针作用时,DVED-Ac序列会从TPE-KDVED-Ac上脱落,剩下的部分因为水溶性较差,在水溶液中聚集,荧光强度明显增强。因此TPE-KDVED-Ac可以实现半胱天冬酶的特异性检测和实时追踪细胞凋亡。


小结:相对于传统ACQ材料而言,AIE材料最大的特点是在单分子状态下,荧光较弱甚至不发光,而在聚集状态下,发光显著增强。因此早期的AIE探针的设计的主要思路是,水溶性的AIE探针分散在水环境中,不发光;而与被检测物作用以后,水溶性发生改变或者与被检测物结合导致分子内运动受阻,因而荧光增强,从而达到检测的目的。这一时期的AIE探针的功能还比较单一,主要在溶液态特异性地检测某种物质或者对细胞进行特异性成像。


【发展篇】


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展


2012年,唐本忠院士课题组和刘斌教授课题组合作首次利用牛血清蛋白(BSA)作为聚合物基底,负载近红外AIE染料,合成了AIE纳米粒子。这种负载AIE染料的BSA纳米粒子具有十分均一的尺寸,并在MCF-7细胞成像和小鼠肿瘤成像中表现出很高的荧光强度和很低的细胞毒性。除此之外,这些AIE纳米粒子由于肿瘤的高通透性和滞留效应(EPR),表现出很好的癌细胞吞噬效果和活体肿瘤靶向能力。


小结:相较于普通有机小分子成像而言,纳米粒子具有光稳定性更强、尺寸可控性更好、表面修饰更容易等优点,因此在成像领域受到广泛的关注。而传统的ACQ材料,在聚集状态会有荧光自猝灭的缺点,因而限制了其在纳米粒子成像中的应用。因此,AIE纳米粒子成像结合了AIE材料和纳米粒子的优点,受到了广泛的关注。


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展


2012年,新加坡国立大学的刘斌教授课题组报导了AIE纳米粒子的双光子成像,实现了对血管的实时成像。这个工作报导的纳米粒子具有很小的尺寸,可达33nm,并且拥有较大的双光子吸收截面,可达63000GM.AIE纳米粒子的双光子成像表现出很高的胶束稳定性、光稳定性和活体低毒性,在活体成像方面有广阔的应用前景。


小结:与单光子成像相比,多光子成像在组织穿透能力、生物体保护、信噪比和时空分辨率上均有很好的表现。多光子成像要求材料具有较大的多光子吸收截面,而很多AIE材料可以满足这个要求。和商业的多光子成像材料相比,AIE材料具有更好的光稳定性,在成像上具有更好的应用前景。


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展


2012年,唐本忠院士课题组设计合成了一个可以特异性靶向细胞线粒体的染料TPE-TPP.TPE-TPP可以特异地靶向细胞线粒体,与商用染料的重叠系数高达0.96.和商业染料相比,TPE-TPP具有更好的光稳定性,因此未来在细胞器染色上会有很广阔的应用。


小结:和初期AIE探针相比,一方面这一时期的AIE探针从设计上已经在思考如何利用AIE材料相较于传统荧光材料的优势;另一方面,AIE探针材料的应用也有了相当大的扩展,从单一的检测扩展到成像方面,可以说这一时期的AIE探针的发展是很大的。但是这一时期的AIE探针功能上依然很单一。


【进阶篇】


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展


2014年,新加坡国立大学的刘斌教授课题组设计了一种可靶向癌细胞的诊疗体系。这个诊疗体系由两种药物(顺铂和阿霉素)、TPE和靶向癌细胞的多肽组成。阿霉素的吸收光谱和TPE的发射光谱重叠度很高,因此两者之间可以形成荧光共振能量转移体系。TPE发出的荧光被阿霉素所吸收。当诊疗系统完整时,TPE的发光不能被观察到;当诊疗系统在癌细胞环境中被破坏时,TPE的发光可以被检测到,这时,释放出阿霉素和顺铂,达到癌症治疗的目的。这个体系成功将癌症的诊断和药物治疗结合在一起,并实现了药物释放和分布的可视化。


小结:将诊断成像和治疗效果整合到一个体系内,可以使药物的释放和分布情况被追踪,实时且原位评估药物的治疗效果。这样的“诊疗一体化”研究在临床和材料领域都受到了广泛的关注。


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展


2013年,香港科技大学的唐本忠院士课题组和新加坡国立大学的刘斌教授课题组合作,设计合成了一种用于双模态成像的纳米粒子。这种纳米粒子由在近红外发光的AIE染料和Gd组成,可同时实现近红外成像和核磁共振成像。这种纳米粒子在穿膜肽的作用下进入细胞,Gd提供的核磁共振成像可实现癌细胞在体内的精准分布,而AIE染料所实现的红外成像可提供单细胞水平的信息,为后续AIE探针在多模态成像领域的发展提供了一定的基础。


小结:每一种单一的成像模式都具有各自的优点和缺点。当几种不同的成像模式整合到一个体系内时,它们之间就会形成一种互补的关系,达到“1+1>2”的效果。将两种或多种功能整合到一个单一的探针上时,这个探针的设计难度也会增加。


聚集诱导发光AIE材料在生物检测与成像领域的发展


2014年,中科院化学所的张德清教授课题组设计合成了一种发红光的AIE探针TPE-red-2AP2H.多肽使AIE探针的背景荧光大大降低,可实现癌细胞的靶向成像。除此之外,TPE-red-2AP2H本身是一个光敏剂,电子从激发态回到基态的过程中,与氧气作用,产生具有细胞毒性的单线态氧,起到杀死癌细胞的作用。因此这个探针在特异性成像的同时也起到了治疗的效果。


小结:这一时期的AIE探针相比于上一个阶段,在功能上有了明显的变化。从单一的成像或者检测,过渡到检测与成像为一体,诊断与治疗于一身的阶段。探针的设计也更加的复杂,也从单一的以科学研究为目的过渡到应用上。


【参考文献】


1.Quantitation, Visualization, and Monitoring of Conformational Transitions of Human Serum Albumin by a Tetraphenylethene Derivative with Aggregation-Induced Emission Characteristics


Anal. Chem. 2010, 82, 7035-7043


2.Specific Detection of Integrin αvβ3 by Light-Up Bioprobe with Aggregation-Induced Emission Characteristics


J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9569-9572


3.Real-Time Monitoring of Cell Apoptosis and Drug Screening Using Fluorescent Light-Up Probe with Aggregation-Induced Emission Characteristics


J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 17972-17981


4.Biocompatible Nanoparticles with Aggregation-Induced Emission Characteristics as Far-Red/Near-Infrared Fluorescent Bioprobes for In Vitro and In Vivo Imaging Applications


Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 771-779


5.Ultrabright Organic Dots with Aggregation-Induced Emission Characteristics for Real-Time Two-Photon Intravital Vasculature Imaging


Adv. Mater. 2013, 25, 6083-6088


6.Photostable AIE LuA minogen for Specific Mitochondrial Imaging and Tracking


J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 62-65


7.Targeted theranostic prodrugs based on an aggregation-induced emission (AIE) luminogen for real-time dual-drug tracking


Chem. Commun. 2014, 50, 11465


8.Gadolinium-Functionalized Aggregation-Induced Emission Dots as Dual-Modality Probes for Cancer Metastasis Study


Adv. Healthcare Mater. 2013, 2, 1600-1605


9.Targeted Bioimaging and Photodynamic Therapy of Cancer Cells with an Activatable Red Fluorescent Bioprobe


Anal. Chem. 2014, 86, 7987-7995


本文由材料人编辑部供稿,材料牛编辑整理。


【相关经典】


1.ACS Nano: 压电电子学效应增强氧化锌纳米线生物传感器的DNA无标记检测


2.NANO LETTERS:ZnO纳米管-纳米线混合型结构的快速生长及其在乳腺癌相关挥发性有机物检测方面的应用


3.Macromolecules:清华大学-聚集态诱导发光(AIE)与自组装聚合物纳米结构相关性研究


4. Macromolecules:基于硒桥的柱-[5]芳烃二聚体和AIE活性四苯乙烯构建的具有双重刺激响应性能的荧光超分子聚合物


5. 唐本忠院士Macromolecules:应用AIE荧光探针高对比度观测和区分聚合物共混物微相分离形貌


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