香港科技大学教授唐本忠院士：近红外AIEgens用于双光子细胞器成像和光动力治疗
同时具有近红外双光子吸收、近红外发射、细胞器成像以及光动力治疗功能的聚集诱导发光材料（AIEgen）在生物成像和诊疗领域中具有重要的应用前景。近日，香港科技大学的唐本忠院士团队通过合理构筑推拉电子结构，发展了一系列具有强双光子吸收和近红外发射的AIEgens应用于细胞器成像和光动力治疗。
荧光成像具有操作简单、结果直观、灵敏度高等优点。与可见光相比，近红外光（波长> 700 nm）具有穿透深度大、生物自发荧光干扰小、对生物体造成的光损伤小等优势，因此开发同时具有近红外激发和发射的荧光染料成为荧光成像领域的研究热点。传统的近红外荧光染料通常具有较大的刚性平面结构，在高浓度或聚集态下易发生π-π堆积而导致荧光淬灭（aggregation-caused quenching，ACQ）。除此之外，传统染料常常具有较小的斯托克斯位移、荧光效率低、光稳定性差等缺点。近年来，聚集诱导荧光（aggregation-induced emission，AIE）材料的发展可以有效地解决上述诸多疑难问题。然而，已开发的近红外AIE材料的种类仍有限，能用于双光子细胞器荧光成像和治疗的近红外AIE材料的报道更是屈指可数。有鉴于此，设计开发具有高亮度近红外发射和强双光子吸收的多功能AIEgens对于生物医学影像及诊疗具有重要的实用意义。
在本文报道的工作中，研究人员通过构筑推拉电子结构，以二苯胺为给电子基团，引入不同的强吸电子基团，利用富电子咔唑作为桥连基团，设计合成了一系列具有D-π-A结构的聚集诱导荧光材料。该类分子表现出扭曲的分子内电荷转移（TICT）和聚集诱导荧光（AIE）的性质。实验结果表明，调节分子内吸电子基团的吸电子能力可以有效地红移分子的固体荧光波长至近红外区域，使其发射波长达到665-765 nm。鉴于其优异的AIE性质，固体荧光的量子产率可达30%。此外，目标化合物均具有较大的斯托克斯位移（187−244 nm），在生物成像中有利于减小激发和发射波长间的相互干扰。双光子激发荧光测试表明，四种AIEgens在近红外区域均具有强双光子吸收，最大双光子吸收截面值可达887 GM。这一结果显示，增强吸电子基团的吸电子能力以及增加分子的共轭长度可以有效地提高分子双光子吸收的性质。
进一步的研究表明，三种中性AIEgens（DCMa、DCIs和DCFu）可以特异性成像脂滴（lipid droplet），主要是由于亲脂性的AIE材料可以选择性地富集于脂滴。另外一种带正电荷的化合物DCPy可以特异性靶向线粒体（mitochondria），DCPy特异性靶向线粒体的特性主要来源于其携带正电荷的属性，与高负电位的线粒体具有较强的静电相互作用，选择性地富集于线粒体内。此外，通过小鼠尾静脉注射，AIE材料可应用于小鼠肝脏和肾脏器官内脂滴和线粒体的双光子荧光成像。得益于近红外双光子激发和近红外发射，其组织成像深度可达150 μm。值得一提的是，在白光灯照射下，四种化合物均可以有效地产生单线态氧，其中，DCPy产生活性氧的能力最好，远远优于常用的光动力治疗试剂Ce6。细胞存活率分析（MTT assay）表明，在低功率白光（4.2 mW/cm-2）照射下，DCPy能够快速杀死癌细胞。
该研究不仅提供了一系列具有强双光子吸收、高亮度近红外发射的AIEgens用于特异性细胞器（脂滴或线粒体）成像以及细胞器靶向的光动力治疗，而且为开发新型具有多光子吸收的近红外AIEgens用于生物医学影像及诊疗提供新的设计思路。
这一成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是香港科技大学的博士后郑正、张天富和刘海翔，通讯作者为唐本忠院士。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.8b03138
来源：X-MOL
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