唐本忠院士團隊 AFM報道: 水溶性AIE探針用于缺氧檢測的新策略

【背景介紹】

腫瘤的早期診斷對于提高癌癥治療的成功率和患者的生存率至關重要。對早期腫瘤進行靈敏準確的無創成像，將有助于外科醫生采取及時有效的預防和治療措施。不同于人體正常組織，腫瘤瘋狂生長消耗的氧氣大大超過了其血管供給能力，從而導致腫瘤微環境處于缺氧狀態。因此，通過對這一缺氧性質的檢測可以實現對早期形成的或者轉移性腫瘤進行精確成像。其中，開發低氧響應性的化學熒光探針被認為是一種很有前景的實現腫瘤早期檢測的方法。具有聚集誘導發光特性的熒光分子（AIEgens）是一類外形為螺旋槳狀的分子，AIEgens在聚集體或固態中具有強的熒光，而在溶液狀態下的熒光強度大大減弱。基于AIE特性設計的熒光探針目前已經被多個課題組報道，AIE分子良好的生物相容性，較好的水溶性和獨特的熒光點亮機制使其近年來成為分析化學領域的一個重要分支。

【成果簡介】

近日，香港科技大學的唐本忠院士（通訊作者）課題組報道了一種基于氧化還原反應的用于缺氧成像的AIE探針。由于氮氧基團的兩性離子性質，所設計的四苯基乙烯（TPE）氮氧化物具有良好的水溶性。這類分子展現出聚集誘導發光特性，由于分子轉子的劇烈運動，它們在水溶液中并不發光。分子的電中性和水合作用也進一步避免了其在生物環境中與帶電性物質（尤其是蛋白）發生靜電相互作用產生背景熒光信號。所合成的三種氮氧化物可以被亞鐵離子還原同時完成從親水到疏水的轉換，由此產生的疏水性聚集體限制了分子內運動，從而開啟了它們的熒光。在缺氧條件下，細胞還原酶（CYP450）可以選擇性地切斷TPE-2E氮氧化物中的N-O鍵，從而實現點亮型的缺氧成像。總之，該缺氧成像的新策略在腫瘤早期診斷中具有很高的應用價值。研究成果以題為“A New Strategy toward “Simple” Water-Soluble AIE Probes for Hypoxia Detection”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。
本文的第一作者為香港科技大學化學系的博士生徐昌活和南方醫科大學的鄒航博士。

【圖文解讀】

圖一、氮氧化物的設計與合成
（A）氮氧化物的合成路線；

（B）TPE-2M和TPE-2M氮氧化物的¹H NMR光譜；

（C）TPE-2M氮氧化物的單晶結構。

圖二、氮氧化物的光物理性質
（A-C）TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物在不同二氯甲烷/正己烷混合物中的PL光譜；

（D）三種氮氧化物相對熒光強度（I/I₀）與正己烷含量的關系圖；

（E）TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物在二氯甲烷中的吸收光譜；

（F）在日光（頂部）和紫外光（底部）下拍攝的固態TPE-2E和TPE-2E氮氧化物的照片。

圖三、對亞鐵離子的熒光響應
（A）加入100×10^-6M? (NH₄)₂Fe(SO₄)₂后，TPE-2M2F氮氧化物的PL隨時間的變化；

（B）加入亞鐵離子后，TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物的熒光變化動力學曲線；

（C）在不同亞鐵離子濃度下,TPE-2E氮氧化物的熒光變化動力學曲線；

（D）氮氧化物還原和TMB氧化過程的示意圖；

（E）加入2×10^-3 M (NH₄)₂Fe(SO₄)₂和200×10^-6 M TMB或者單獨加入200×10^-6 M TMB孵育后，200×10^-6 M TPE-2M2F 氮氧化物的吸光度變化；

（F）加入200×10^-6 M TMB和2×10^-3 M (NH₄)₂Fe(SO₄)₂共孵育的TPE-2M 氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物在652 nm處的吸光度變化動力學曲線。

圖四、TPE-2E氮氧化物的還原產物分析
（A）加入20×10^-3 M (NH₄)₂Fe(SO₄)₂后，親水性的TPE-2E氮氧化物轉化為疏水性的TPE-2E；

（B）加入20×10^-3 M的(NH₄)₂Fe(SO₄)₂前后，分散在水中的TPE-2E氮氧化物及其還原產物的尺寸分布；

（C）加入20×10^-3 M (NH₄)₂Fe(SO₄)₂前后，2×10^-3 M TPE-2E氮氧化物水溶液及其還原產物的熒光圖片。

圖五、體外缺氧成像
TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物在HeLa細胞中不同氧氣條件下的熒光圖像。

圖六、二苯基氯化碘鹽（DPI）對CYP450還原酶的抑制實驗
在低氧條件下，用TPE-2E氮氧化物和不同DPI濃度孵育3 h的HeLa細胞的熒光圖像。

圖七、與尼羅紅的共染實驗
在低氧條件下，HeLa細胞與TPE-2E氮氧化物和尼羅紅共孵育的激光共聚焦圖像。

【總結】

綜上所述，作者提出了一種全新的策略用于設計水溶性探針進而實現低氧熒光成像。首先，本文以一條簡單的合成路線獲得了TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物三種探針分子。具有AIE活性的TPE基團與兩性氮氧官能團的結合使這些氮氧化物在溶液狀態下不發光。加入Fe²⁺后，由于取代基的不同，這類氮氧化物呈現不同速率的熒光響應。通過細胞成像研究，作者發現TPE-2E氮氧化物在HeLa細胞中表現出隨氧氣濃度降低熒光點亮且不斷增強的行為。疏水的TPE-2E氮氧化物還原產物選擇性地聚集在脂滴中。由于TPE氮氧化物的優異性能，該工作為設計和合成基于AIEgens的診斷體系提供了一種新的途徑。

文獻鏈接：A New Strategy toward “Simple” Water‐Soluble AIE Probes for Hypoxia Detection（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201903278）

通訊作者簡介

唐本忠院士是香港科技大學化學系講座教授和張鑒泉理學教授，并兼任香港科技大學工學院化學及生物工程學系講座教授。2009年當選中國科學院院士。2012年至今擔任華南理工大學-香港科技大學聯合實驗室主任。2012年起受聘為華南理工大學雙聘院士。2013年入選英國皇家化學會Fellow，2015年擔任國家人體組織功能重建工程技術研究中心香港分中心主任，2017年起受聘為華南理工大學-香港科技大學聯合研究院院長。目前已發表學術論文1500多篇，總引約80000次，h因子為134。在學術會議上作了400多場邀請報告，擁有50多項專利。現任ACS新聞周刊Noteworthy Chemistry專欄科學新聞撰稿人，Materials Chemistry Frontier (RSC)主編，英國皇家化學學會（RSC）高分子化學叢書主編，Polymer Chemistry（RSC）和Progress in Chemistry雜志副主編，以及20多家國際科學雜志顧問、編委或客座編輯等。

研究領域：

唐本忠院士團隊主要從事高分子化學和先進功能材料研究。2001年，唐本忠院士首次提出“聚集誘導發光”（aggregation-induced emission, AIE）概念，并自此發展出一系列具有AIE性質的發光團（AIEgens），開辟了發光材料的新領域。由于這類分子“溶解不發光、聚集才發光”的特點，其既能克服絕大多數傳統熒光染料聚集后熒光淬滅的問題，又具有固態量子產率高、光穩定性好、背景熒光弱、斯托克斯位移大等優點，吸引著來自全球的研究興趣，已廣泛應用于化學檢測、生物成像、環境監測、醫學診斷治療及發光器件等諸多領域，成為近十幾年來的研究熱點。2016年，AIE納米粒子被《Nature》列為支撐即將來臨的納米光革命的四大納米材料之一，并是唯一一種由中國科學家原創的新材料。

成果簡介：

由于在聚集誘導發光這個領域取得了一系列原創性成果，唐本忠院士先后獲得多項榮譽及獎勵，于2002年獲得由國家自然科學基金授予的“杰出青年學者”（B類，海外華裔科學家）稱號，2007年獲國家自然科學二等獎、Croucher基金會高級研究員獎、中國化學會王葆仁獎和Elsevier雜志社馮新德獎，2012獲Science China Chemistry杰出貢獻獎、美國化學學會高分子材料部：科學與工程分會Macro2012講座獎等，2014年獲伊朗國家科技部科學技術研究組織頒發的Khwarizmi國際獎和2015年獲廣州市榮譽市民。2014-2018年連續當選全球材料和化學領域“高被引科學家”。榮獲2017年度何梁何利基金科學與技術進步獎，以第一項目完成人身份憑“聚集誘導發光”項目獲得2017年度國家自然科學一等獎，并獲得科技盛典-CCTV2018年度科技創新人物。

詳情可參見唐本忠教授香港科技大學課題組網站：http://tangbz.ust.hk/index.html

本文由材料人CQR編譯。

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