十年回首 |AIE材料在生物檢測與成像領域的發展
聚集誘導發光(aggregation-induced emission, AIE)是由香港科技大學唐本忠院士團隊于2001年偶然發現的一種異常的發光現象。和傳統熒光材料所具有的ACQ（aggregation-caused quenching）發光現象相反，具有AIE性質的熒光材料在溶液中以單分子形式存在時，激發態的電子通過分子內的運動回到基態；當分子處于聚集態時，分子內運動受限，激發態的電子只能通過輻射躍遷的方式回到基態，因而可以觀察到熒光增強的現象。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，在諸多領域都取得了廣闊的應用。
在生物檢測和成像領域，經過科研工作者們十多年的努力與發展，AIE材料在生物檢測、生物成像和診療一體化等方面都表現出了顯著的優勢，因此吸引了更多來自生物領域科學家的目光。近五年來，關于AIE材料在生物檢測和成像的文章發表數量和引用總量穩固增加。從2012年到現在，已經有大于600篇關于AIE材料在生物檢測和成像的SCI論文發表。本文將以這九篇文獻來梳理和回顧AIE材料近十年以來在生物檢測和成像領域的發展。
開創篇
2010年，香港科技大學的唐本忠院士課題組利用雙邊修飾磺酸鹽的四苯基乙烯（BSPOTPE）實現了對人血清蛋白（HSA）的檢測和構象追蹤。BSPOTPE的水溶性非常好，因而在水溶液中幾乎沒有熒光。當BSPOTPE與HSA結合，BSPOTPE會嵌入HSA的疏水腔中，因此四苯基乙烯的苯環運動受限，熒光增強。BSPOTPE可檢測0-100nM濃度范圍內的HSA，檢測限可達1nM。
小結：這一時期的探針特異性較差，依靠四苯基乙烯的疏水性質與蛋白質疏水腔的作用，其他疏水性蛋白會對檢測結果造成較大的影響，因此在后續工作中，在探針特異性較差的問題上做了很大的改進。
2012年，新加坡國立大學的劉斌教授課題組首次將一段有識別性的多肽cRGD連接在四苯基噻咯上（TPS-2cRGD），實現了對整合素的特異性檢測。整合素是很多腫瘤的生物標記，并且也是cRGD的受體。cRGD通過點擊反應連接到四苯基噻咯上，cRGD本身較好的水溶性會大大降低四苯基噻咯在水中的背景熒光。當cRGD與整合素特異性結合，熒光增強。TPS-2cRGD在整合素的檢測上有很好的特異性和靈敏度，檢測限可達0.5μg/mL.除了溶液態的定量檢測，TPS-2cRGD還可以與細胞膜上的整合素結合，實現特異性地癌細胞成像。
同年，劉斌教授課題組報道了另外一種多肽與AIEgen結合的探針，TPE-KDVED-Ac。TPE-KDVED-Ac是由疏水的TPE熒光生色團和親水的KDVED多肽部分組合而成，因而在水溶液中熒光背景很低。當半胱天冬酶與探針作用時，DVED-Ac序列會從TPE-KDVED-Ac上脫落，剩下的部分因為水溶性較差，在水溶液中聚集，熒光強度明顯增強。因此TPE-KDVED-Ac可以實現半胱天冬酶的特異性檢測和實時追蹤細胞凋亡。
小結：相對于傳統ACQ材料而言，AIE材料最大的特點是在單分子狀態下，熒光較弱甚至不發光，而在聚集狀態下，發光顯著增強。因此早期的AIE探針的設計的主要思路是，水溶性的AIE探針分散在水環境中，不發光；而與被檢測物作用以后，水溶性發生改變或者與被檢測物結合導致分子內運動受阻，因而熒光增強，從而達到檢測的目的。這一時期的AIE探針的功能還比較單一，主要在溶液態特異性地檢測某種物質或者對細胞進行特異性成像。
發展篇
2012年，唐本忠院士課題組和劉斌教授課題組合作首次利用牛血清蛋白（BSA）作為聚合物基底，負載近紅外AIE染料，合成了AIE納米粒子。這種負載AIE染料的BSA納米粒子具有十分均一的尺寸，并在MCF-7細胞成像和小鼠腫瘤成像中表現出很高的熒光強度和很低的細胞毒性。除此之外，這些AIE納米粒子由于腫瘤的高通透性和滯留效應（EPR），表現出很好的癌細胞吞噬效果和活體腫瘤靶向能力。
小結：相較于普通有機小分子成像而言，納米粒子具有光穩定性更強、尺寸可控性更好、表面修飾更容易等優點，因此在成像領域受到廣泛的關注。而傳統的ACQ材料，在聚集狀態會有熒光自猝滅的缺點，因而限制了其在納米粒子成像中的應用。因此，AIE納米粒子成像結合了AIE材料和納米粒子的優點，受到了廣泛的關注。
2012年，新加坡國立大學的劉斌教授課題組報導了AIE納米粒子的雙光子成像，實現了對血管的實時成像。這個工作報導的納米粒子具有很小的尺寸，可達33nm，并且擁有較大的雙光子吸收截面，可達63000GM。AIE納米粒子的雙光子成像表現出很高的膠束穩定性、光穩定性和活體低毒性，在活體成像方面有廣闊的應用前景。
小結：與單光子成像相比，多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。多光子成像要求材料具有較大的多光子吸收截面，而很多AIE材料可以滿足這個要求。和商業的多光子成像材料相比，AIE材料具有更好的光穩定性，在成像上具有更好的應用前景。
2012年，唐本忠院士課題組設計合成了一個可以特異性靶向細胞線粒體的染料TPE-TPP。TPE-TPP可以特異地靶向細胞線粒體，與商用染料的重疊系數高達0.96。和商業染料相比，TPE-TPP具有更好的光穩定性，因此未來在細胞器染色上會有很廣闊的應用。
小結：和初期AIE探針相比，一方面這一時期的AIE探針從設計上已經在思考如何利用AIE材料相較于傳統熒光材料的優勢；另一方面，AIE探針材料的應用也有了相當大的擴展，從單一的檢測擴展到成像方面，可以說這一時期的AIE探針的發展是很大的。但是這一時期的AIE探針功能上依然很單一。
進階篇
2014年，新加坡國立大學的劉斌教授課題組設計了一種可靶向癌細胞的診療體系。這個診療體系由兩種藥物（順鉑和阿霉素）、TPE和靶向癌細胞的多肽組成。阿霉素的吸收光譜和TPE的發射光譜重疊度很高，因此兩者之間可以形成熒光共振能量轉移體系。TPE發出的熒光被阿霉素所吸收。當診療系統完整時，TPE的發光不能被觀察到；當診療系統在癌細胞環境中被破壞時，TPE的發光可以被檢測到，這時，釋放出阿霉素和順鉑，達到癌癥治療的目的。這個體系成功將癌癥的診斷和藥物治療結合在一起，并實現了藥物釋放和分布的可視化。
小結：將診斷成像和治療效果整合到一個體系內，可以使藥物的釋放和分布情況被追蹤，實時且原位評估藥物的治療效果。這樣的“診療一體化”研究在臨床和材料領域都受到了廣泛的關注。
2013年，香港科技大學的唐本忠院士課題組和新加坡國立大學的劉斌教授課題組合作，設計合成了一種用于雙模態成像的納米粒子。這種納米粒子由在近紅外發光的AIE染料和Gd組成，可同時實現近紅外成像和核磁共振成像。這種納米粒子在穿膜肽的作用下進入細胞，Gd提供的核磁共振成像可實現癌細胞在體內的精準分布，而AIE染料所實現的紅外成像可提供單細胞水平的信息，為后續AIE探針在多模態成像領域的發展提供了一定的基礎。
小結：每一種單一的成像模式都具有各自的優點和缺點。當幾種不同的成像模式整合到一個體系內時，它們之間就會形成一種互補的關系，達到“1+1>2”的效果。將兩種或多種功能整合到一個單一的探針上時，這個探針的設計難度也會增加。
2014年，中科院化學所的張德清教授課題組設計合成了一種發紅光的AIE探針TPE-red-2AP2H。多肽使AIE探針的背景熒光大大降低，可實現癌細胞的靶向成像。除此之外，TPE-red-2AP2H本身是一個光敏劑，電子從激發態回到基態的過程中，與氧氣作用，產生具有細胞毒性的單線態氧，起到殺死癌細胞的作用。因此這個探針在特異性成像的同時也起到了治療的效果。
小結：這一時期的AIE探針相比于上一個階段，在功能上有了明顯的變化。從單一的成像或者檢測，過渡到檢測與成像為一體，診斷與治療于一身的階段。探針的設計也更加的復雜，也從單一的以科學研究為目的過渡到應用上。
參考文獻
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