唐本忠院士团队：双光子聚集诱导发光探针应用于脂滴荧光成像

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脂滴（Lipid droplets, LDs）由磷脂单分子表层和中性脂内核组成，是细胞内中性脂的主要贮存场所，广泛存在于多种动植物细胞中。近年来的研究发现，脂滴并非是一个“惰性”的能量贮存器，而是活跃的多功能细胞器，它的异常与肥胖、II型糖尿病、脂肪肝、高脂血症和动脉粥样硬化等疾病有着密切的联系。因此，脂滴的检测对生物医学研究和临床诊断具有重要意义。

近年来，荧光检测方法以其高灵敏性、高分辨率、操作简单和价格低廉等特点逐渐成为生物医学研究的重要研究手段。商业化的脂滴荧光染料主要有尼罗红（Nile Red）和BODIPY493/503，但是，这些染料仍存在着一些重要的缺陷：荧光背景强和斯托克斯位移小。更糟糕的是，这些传统的荧光分子还面临着聚集诱导淬灭（aggregation-caused quenching，ACQ）的问题。ACQ导致这些分子只能在低浓度下使用，在成像中极易因光漂白发生荧光强度快速减弱。

从2001年聚集诱导发光（aggregation-induced emission，AIE）的提出至今，香港科技大学的唐本忠院士课题组便致力于利用AIE的概念解决传统荧光分子面临的问题，AIE脂滴荧光探针便是其中的一个方面。相比传统的商用荧光染料，AIE脂滴荧光探针在成像中具有亮度高、斯托克斯位移大和光稳定性好等优点，能满足研究中细胞内脂滴的跟踪与分析的要求。

图1. 双光子激发示意图。

然而，这些AIE脂滴荧光探针仍然存在激发波长短的问题，导致在组织切片中具有较强的背景荧光和较低的穿透深度。为了解决这些问题，大量的精力投入到合成长波长激发的荧光染料，然而成功的例子却寥寥无几。该方案主要面临的挑战是增大分子间共轭引起合成困难、分子量变大、分子疏水性增强、细胞穿透性降低、红光量子产率低等问题。另一方面，双光子激发在生物医学研究和临床诊断中越来越受欢迎。双光子激发是指物质在强激光下同时吸收两个低能量的光子（一般是近红外光子）而从基态跃迁到激发态的非线性光物理过程。随着飞秒泵浦激光器的商业化，双光子激发或荧光成像越来越普及。相比于单光子激发，双光子激发具有长波长激发、较少的自发荧光、高3D分辨率、较少的光漂白和较深的组织穿透深度等优点。若人们能将AIE特征与双光子激发的结合起来，构建一个双光子AIE荧光探针，便可以为脂滴跟踪和分析提供性能优越的生物探针，促进脂滴相关疾病的研究。

图2. 双光子AIE脂滴荧光探针的结构、特点及其应用。

图3. 单光子激发和双光子激发的对比；TPA-BI应用于组织切片中的脂滴成像，双光子激发明显降低背景荧光。

基于课题组前期的知识和经验积累，在近期的工作中，唐本忠院士课题组设计了一种AIE探针，即TPA-BI，用于脂滴的双光子成像。TPA-BI分子采用供体-π-受体（donor-π-acceptor，D-π-A）的结构，其中三苯胺不仅是强电子供体，同时还是很好的双光子分子构建基元，而BI部分则是AIE的构建基元。按照预期，D-π-A结构的TPA-BI由于存在扭曲分子内的电荷转移（TICT），表现出很强的溶剂化效应，在非极性环境下荧光蓝移增强，可以实现对脂滴非极性环境的特异性响应。TPA-BI也表现出AIE特征，其斯托克斯位移可达202 nm。TPA-BI可用410 nm的单光子激发，同时也可用840 nm进行双光子激发，其双光子吸收截面高达213 GM。实验证明TPA-BI非常适合于各种活细胞系和固定组织切片中的双光子成像，兼具AIE和双光子在成像上的优点，优于商业染料。这一成果近期发表在Chemical Science 上，文章的第一作者是香港科技大学的博士研究生江美娟和顾星桂博士。

论文链接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/sc/c7sc01400g

来源：X-MOL

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