唐本忠院士團隊深圳大學AIE研究中心王東副教授&南方科技大學李凱副教授 AFM：合理設計兩性離子AIEgens用于NIR-II熒光成像引導協同光療

【背景介紹】

熒光成像（FLI）技術具有無創檢測、靈敏度高、原位可操作等諸多優勢，已成為當今生命科學領域最重要的技術手段之一，在生物醫學領域有巨大前景。其中，近紅外光二區（NIR-II，1000—1700 nm）的FLI可以加深穿透力、減少組織自發熒光，并使對生物結構的光損傷最小化。然而，目前的NIR-II熒光分子通常存在毒性高、易聚集猝滅、光穩定性差等問題。2001年，香港科技大學唐本忠院士首次提出“聚集誘導發光（AIE）”的新概念，開創性地開辟了一個由中國科學家提出并引領的科學領域。聚集誘導發光是指一類熒光團在分子溶解狀態下顯示微弱的發射或不發射，但在聚集狀態下表現出強烈發射的一種獨特的光物理現象。AIEgens具有納米聚集體的高亮度、高的光漂白閾值和大的斯托克斯位移等優點。目前，已報道的AIEgens存在各自的缺點和共同的缺點，它們的通用合成方案一般需要復雜的多步反應和純化不方便，嚴重阻礙了其實際應用。同時，大多數NIR-II AIEgens采用苯并[1, 2-c: 4, 5-c′]二（[1, 2, 5]噻二唑）(BBTD)作為電子接受單元的給電子-接受-給電子（D-A-D）型結構，因此需要進一步改善分子多樣性。此外，FLI引導的光動力療法（PDT）或光熱療法（PTT）是一種同時對腫瘤進行診斷和治療，因此用于NIR-II的FLI引導的協同光療仍然面臨巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，唐本忠院士團隊深圳大學AIE研究中心報道了一種合理的設計和簡便的合成方案，并利用該方案制備了一系列新穎的、具有近紅外（NIR）發射特性的兩性離子AIEgens（具有聚集誘導發射（AIE）性質）用于癌癥光熱與光動力聯合治療。在這些AIEgens中，制備的BITT dots具有長發射波長、有效產生活性氧和出色的光熱轉換效率（35.76％）等固有特性。此外，通過體外和體內評估實驗表明，BITT dots既能在NIR-II熒光成像中提供了出色的性能，又能有效地引導針對癌癥的協同光療。研究成果以題為“Zwitterionic AIEgens: Rational Molecular Design for NIR-II Fluorescence Imaging-Guided Synergistic Phototherapy”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、利用BITT dots進行NIR-II FLI介導的抗癌協同光療示意圖

圖二、BITT的設計策略
?
圖三、AIEgens的結構和合成

圖四、BITT和ITT的單晶結構
（A）通過單晶X射線衍射確認BITT的單晶結構；

（B）通過單晶X射線衍射確認ITT的單晶結構。

圖五、BITT、BITB、ITT和ITB的光學性質
（A）AIEgens溶于乙醇的紫外-可見吸收光譜；

（B）AIEgens在不同Hexane組分的EtOH/Hexane的PL光譜；

（C）BITT和ITT的固體發射光譜；

（D）利用DCFH-DA作為指示劑，在激光輻照（660 nm，0.3 W cm^-2）下，AIEgens（1×10^-6 M）產生的ROS；

（E）在660 nm，0.3 W cm^-2的激光輻射下，AIEgens（3×10^-4 M）的光熱轉化行為；

（F）BITT dots在水溶液中的吸收和發射光譜。

圖六、BITT dots的體外光熱和光動力性質
（A）與BITT（6.68 μg mL^-1）孵育1 h后，對4T1細胞進行CLSM成像，紅色熒光對應于BITT、細胞核與藍色熒光共定位；

（B）在有無激光照射下，不同濃度BITT染色的4T1細胞的存活率；

（C）使用DCFH-DA和BITT（20 μg mL^-1）經過多種處理后，對4T1細胞內ROS進行CLSM成像；

（D）用FDA（綠色熒光）/PI（紅色熒光）和BITT（20 μg mL^-1）評估在各種處理方法處理4T1細胞后的活/死細胞染色。

圖七、4T1腫瘤小鼠模型的體內成像和治療
（A-B）瘤內注射BITT dots后，不同時間點的4T1荷瘤小鼠的NIR-II FL圖像和NIR-II FL圖像；

（C）注射BITT dots并隨后激光照射，4T1荷瘤小鼠的紅外熱圖像；

（D）不同治療條件下，小鼠的腫瘤生長曲線；

（E）不同治療組中小鼠的體重變化。

圖八、通過BITT dots光療后小鼠的組織學H＆E、TUNEL（紅色熒光）和CD31（綠色熒光）染色分析

【小結】

綜上所述，作者合理設計并合成了一系列新穎的AIE分子（BITT、BITB、ITT和ITB）。在這些AIEgens中，具有轉子扭曲結構、高D-A強度和強NIR-II發射的BITT表現出最優異的ROS產生效率和光熱轉換效率（35.76％）。體外實驗表明，BITT對癌細胞具有低的暗毒性和高的光毒性。體內評估表明，在 660nm （0.3W cm^-2）的激光照射下，腫瘤表面溫度升至55 ℃，同時展示了良好的小鼠腫瘤的NIR-I和NIR-II的熒光成像。體內實驗表明，BITT dots具有優異的生物相容性。通過光療后，4T1腫瘤小鼠的腫瘤消除表明，BITT dots通過協同的PDT-PTT光療法表現出優異的抗癌效果。這些結果表明，BITT（AIEgen）可以作為單一組分探針應用于NIR-II FLI介導的癌癥診療方法中。總之，該研究為NIR AIEgens的設計提供了一種有希望的策略，并為有效的癌癥治療提供了一種新思路。

該論文的第一作者是深圳大學AIE研究中心朱維博士，共同第一作者為深圳大學AIE研究中心康苗苗博士。深圳大學AIE研究中心執行主任王東副教授為論文第一通訊作者，南方科技大學李凱副教授及AIE研究中心榮譽主任唐本忠院士為共同通訊作者。該論文得到了深圳大學王雷教授、吳謙博士、張志軍博士、吳一同學，中科院深圳先進院李純斌同學的支持和幫助。該研究得到國家自然科學基金委及深圳大學自然科學基金等經費支持。

文獻鏈接：Zwitterionic AIEgens: Rational Molecular Design for NIR-II Fluorescence Imaging-Guided Synergistic Phototherapy.（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202007026）

通訊作者簡介

唐本忠院士：唐本忠，中國科學院院士，香港科技大學張鑒泉理學教授、化學系與生物醫學工程系講座教授，深圳大學AIE研究中心榮譽主任。主要從事高分子化學和光電功能材料研究，在聚集誘導發光（Aggregation -Induced Emission, AIE）這一化學和材料前沿領域取得了原創性和引領性的研究成果。作為AIE概念的提出者和研究的引領者，唐本忠教授累計發表學術論文約1700篇，引用80000余次，h-指數為131，并于2014-2017年連續入選化學和材料雙領域高被引用科學家。先后獲得多項榮譽及獎勵，如國家自然科學一等獎（2017）、何梁何利科學與技術進步獎（2017）、第27屆夸瑞茲密國際科學獎（2014）等。

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。