國家自然科學一等獎–聚集誘導發光點亮的生命科學世界

鋼鐵俠 6年前 (2018-01-21) 12505瀏覽

材料人注：在剛剛落下帷幕的2017年度國家科學技術獎中，“AIE之父”唐本忠院士團隊憑借“聚集誘導發光”獲得國家自然科學一等獎。我們邀請唐院士團隊對聚集誘導發光材料在生命科學上的應用做一個分享。

聚集誘導發光（aggregation-induced emission，AIE）是唐本忠院士團隊在2001年偶然發現的現象：一種在溶液中以單分子形式存在的不發光的噻咯衍生物，隨著溶劑的逐漸揮干，熒光卻漸漸加強。課題組在此基礎上進行了一系列深入地探索研究，提出了聚集誘導發光的新概念。為解決傳統ACQ材料所存在的問題，提供了新的思路；也為生物成像領域的發展開啟了新的大門。經過十多年的努力與發展，AIE材料在細胞器染色、病原體識別、細胞長周期示蹤、光動力學治療等領域表現出了顯著的優勢。對比于傳統的ACQ熒光材料，AIE材料的優勢主要體現在：低背景、信噪比高、靈敏度好、抗光漂白能力強等方面。這里就讓我帶領大家走進聚集誘導發光點亮的生命科學世界。

AIE材料在生物領域的應用

1. 遠紅外/近紅外成像

眾所周知，紅光材料，尤其是遠紅外和近紅外材料在生物成像中有著高度的需求。這是因為生物體在近紅外和遠紅外區域內，具有較低的吸收和自發熒光，因此可以減少背景干擾，提高成像的信噪比和靈敏度。除此之外，遠紅外/近紅外光由于能量較低，對生物體的傷害也比較低；而由于其波長較長，具有較強的組織穿透能力。縱然紅光材料在成像領域中的種種優勢，現在紅光材料所存在的缺陷是熒光量子產率太低。而傳統的ACQ分子因為“越聚集越淬滅”的缺陷并不能解決這個問題，而“越聚集越發光”的AIE材料則為這個領域注入了新鮮的血液。目前為止，大量遠紅外/近紅外的AIE材料被開發出來，并在生物成像中取得出色的效果。

AIE材料在腦血管成像中的應用，成像深度為0-1200微米

2. 雙/三光子成像

熒光成像的高速發展要求材料具有更好的組織穿透能力、對生物體的傷害更低，更高的信噪比和出眾的時空分辨率。然而，常規的單光子熒光材料并不能滿足這些需求。單光子熒光材料的激發光波長通常在350-500納米。這種波長的激發光波長較短且能量較高，因而其組織穿透深度通常小于100微米，且會對生物體造成一定的傷害。不僅如此，這個波長的激發光可以激發生物體的自熒光，對成像信號造成干擾，降低信噪比。因此，雙/三光子成像在成像領域受到了廣泛的關注。與單光子成像相比，雙/三光子成像在組織穿透能力、生物體保護、信噪比和時空分辨率上均有很好的表現。雙/三光子成像要求材料具有較大的雙/三光子吸收截面，而部分AIE材料可以滿足這個要求。目前，基于AIE的雙/三光子成像受到了廣泛的關注。

AIE材料在斑馬魚血管三光子成像中的應用

3. 細胞器特異性染色

細胞器一般認為是散布在細胞質內具有一定形態和功能的微結構和微器官。細胞中的細胞器主要有：線粒體、內質網、葉綠體、高爾基體、核糖體等。他們對細胞的正常工作和運轉起到了非常重要的作用。比如脂粒可以調控細胞內脂質的代謝和儲存；線粒體是細胞的動力馬達，為細胞的活動提供了能量，除此之外，線粒體還參與了細胞的分化、信息傳遞和細胞凋亡等過程。這些細胞器的異常通常是很多疾病的預警信號，比如糖尿病、帕金森綜合征、癌癥等。因此，細胞器的特異性成像和細胞器形貌的觀測為疾病診斷提供了幫助。傳統的細胞器熒光染料主要是ACQ材料，相對于這類材料，AIE材料主要有低背景、信噪比高、靈敏度好、抗光漂白能力強的優勢。目前，已經有大量基于AIE的細胞器染料被開發出來，包括細胞膜、脂粒、線粒體、溶酶體和細胞核等。

AIE材料在線粒體特異性染色中的應用

4. 癌癥細胞識別

癌癥已經成為威脅人類生命和健康的首要敵人。在癌癥擴散之前的早期檢測是提高癌癥病人存活率的有效方式。但目前為止，從細胞水平區分癌癥細胞和正常細胞依然面臨多方面的挑戰。基于熒光的檢測方法相比于其他傳統的成像方式（比如核磁共振），具有成像迅速、方法簡單、不需要精密儀器等一系列的優點。用于癌癥檢測的AIE探針已經被大量開發和應用，并且取得了不錯的效果。這類探針的設計思路通常是將AIE染料與水溶性的癌癥靶向的生物大分子（多肽、抗體、核酸適配體等）偶聯。探針與癌細胞特異性結合之后才發光，大大降低了成像的背景熒光。

AIE材料對肝癌細胞特異性成像

5. 細菌成像

細菌，無處不在，并在人類生活的方方面面扮演著各種各樣的角色，比如環境監測、醫療衛生、制藥工業等等。一些細菌對人類健康是無害的，比如大腸桿菌；然而另一些細菌對人類是有害的，甚至是致命的。在細菌相關的研究中，最重要的課題是細菌的檢測（成像）、細菌成活率評估、抗生素篩選和滅菌。基于熒光的生物檢測憑借其快速、簡便和靈敏度高的特點被廣泛地應用。目前，針對細菌的AIE熒光探針已經被開發報導。

AIE材料在死活細胞區分中的應用

6. 光動力學治療

光動力治療是指利用光敏劑作為藥物，其在一定波長的光照下與氧氣作用產生活性氧（ROS），通過活性氧殺傷細胞、細菌的一種非侵入性療法。傳統的用于治療癌癥的臨床策略包括手術、放療、化療等方法。手術對于轉移到重要器官附近的癌細胞往往無能為力；放療的電離輻射會不可避免地損傷細胞的DNA，因此具有較嚴重的副作用，包括損傷正產組織細胞、形成瘢痕組織等。傳統化學療法常受到藥物抗性的阻礙，且控制困難。因此光動力治療則具有非常明顯的優勢：光動力治療不受藥物抗性的困擾；光敏劑本身在沒有光的情況下毒性很小或沒有，因此這些藥物在人體內的積累也能最大限度地降低正常組織的受損；與放療相比，激發光敏劑的光波不具有電離作用，安全無害。傳統的光敏劑，如卟啉衍生物，具有很強的疏水性和剛性平面結構，傾向于在水介質中發生π-π堆積，形成激基締合物，導致熒光淬滅，產生活性氧ROS的效率下降，在影響成像質量的同時，也大大降低了光動力學治療的效果。相比于傳統的ACQ類光敏劑，AIE光敏劑具有很好的光穩定性，保證了成像質量和光動力學治療效果。

AIE光敏劑在癌癥光動力學治療中的應用

7. 磷光AIE探針

熒光成像很容易受到生物背景熒光和散射光的影響。除了前面所提到的近/遠紅外成像和雙/三光子成像，磷光材料也可以減少生物背景干擾，從而提高信噪比。磷光的壽命在微秒到毫秒的區間，遠遠長于納秒水平的熒光。因此使用磷光材料，可以將來自于壽命較短的背景熒光和散射光的干擾降低到很低的水平。基于以上所述優點，很有必要開發磷光AIE材料。目前磷光AIE材料還比較稀少，需要更多的探索與發現。