Angew. 葫芦脲和两亲性杯芳烃介导下具有近红外荧光发射的二级组装体的构筑及其在靶向溶酶体细胞成像上的应用
供稿人 | 三苯胺
导读
近日，南开大学刘育教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.上报道了他们在超分子聚集体方面的最新工作，将荧光分子与葫芦脲及两亲性杯芳烃进行二次自组装形成具有近红外荧光发射的纳米颗粒并应用在靶向溶酶体细胞成像上。（DOI: 10.1002/anie.201807373）。
近年来，具有荧光响应的超分子组装体已被学者广泛地用于细胞成像，尤其是靶向细胞器的成像。而溶酶体作为一类重要的细胞器，其参与了许多细胞活动，如聚合物地降解、分泌过程、质膜修复、细胞信号传送、能量代谢等，也受到靶向成像的关注。比如，基于罗丹明和钌配合物的靶向溶酶体探针已被文献报道。
由于近红外荧光发射在生物样品光损伤轻微性、生物分子自发荧光干涉微弱性、深层组织渗透性等方面的优势，使得具有近红外荧光发射的超分子组装体在细胞成像上受到广泛关注。然而，通常有机染料分子很难达到近红外发射以及组装过程存在的聚集诱导荧光淬灭，所以具有近红外荧光发射的超分子组装体则很少被报道。
在超分子组装体中，一些荧光静寂的有机染料可以受主-客体络合、聚集诱导发光作用下产生各式各样的荧光发射。同时，另一些染料分子的荧光也会受这两种方式的影响发生发射峰的位移。在超分子组装体中，有机染料通常通过形成J聚集体或H聚集体而发生荧光发射强度或波长的变化。在J聚集体中，有机染料的荧光发射通常发生红移和增强，而在H聚集体中则发生蓝移和淬灭。
葫芦脲和杯芳烃作为两类常见的大环化合物，已被广泛地用于构筑超分子组装体。在众多葫芦脲同系物中，葫芦[8]脲（CB[8]）由于可以包合两分子客体而被广泛地用来构筑超分子聚集体。而对于两亲性的易溶于水的对磺酸杯[4]芳烃，由于其可以发挥杯芳烃诱导聚集作用也受到青睐，被用来构筑超分子聚集体。
在此基础上，南开大学刘育教授团队，设计合成了在625纳米发射微弱荧光的蒽基吡啶嗡盐分子（ENDT），其依次与CB[8]、下缘取代的对磺酸杯[4]芳烃（SC4AD）组装形成二级超分子组装体。该组装体表现出较强的近红外荧光发射，而进一步被用在靶向溶酶体细胞成像上。（组装过程如图1所示）
图1. 文中报道的具有近红外荧光发射的二级组装体的组装示意图
荧光分子ENDT与CB[8]的组装形式与过程。
（1）作者们通过紫外Job实验确认ENDT与CB[8]形成1:1的络合物。进一步通过紫外滴定实验，确认ENDT与CB[8]形成n:n的雪橇状聚集体（如图1或图2c所示）。
（2）一维核磁氢谱滴定实验（如图3所示）表明ENDT与CB[8]的组装过程与作用范围。二维核间奥弗豪泽效应谱（NOESY）进一步明确ENDT的乙基吡啶嗡盐基团包合在CB[8]空腔内（如图4所示）。
综合（1）、（2）实验过程，作者们明确了ENDT与CB[8]的组装形式，形成如图1所示（或如图2c所示）的纳米棒（nanorods）结构。
图2. 在1:1比例下，ENDT与CB[8]可能形成的3种组装体的示意图
图3. ENDT与CB[8]的核磁滴定图
图4. ENDT/CB[8]一级组装体的二维NOESY图
ENDT/CB[8]与SC4AD的二级组装过程。
（1）如图5b和5c所示，固定ENDT和CB[8]的浓度不变且相等（[ENDT] = [CB[8]] = 0.02 mM），随着SC4AD的加入至0.01 mM时，透光率出现急剧减弱，而这一点说明由于达到正、负电荷数平衡，SC4AD与ENDT/CB[8]一级组装体发生完全组装。而继续增加SC4AD的量，过量的SC4AD则会包裹ENDT/CB[8]一级组装体形成疏水层，同时透光率发生部分恢复。当SC4AD的浓度超过0.03 mM时，因为超过SC4AD本身的临界聚集浓度，透光率发生逐渐减弱。
（2）图5a表明，ENDT没有丁达尔现象，ENDT/CB[8]一级组装体仅有微弱的丁达尔现象，ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体则表现出明显的丁达尔现象。说明ENDT与CB[8]/SC4AD发生二级组装形成纳米级颗粒。
图5. （a）ENDT、ENDT/CB[8]一级组装体、ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体的丁达尔现象图；（b）随着SC4AD浓度的变化，ENDT/CB[8]一级组装体的透光率变化图；（c）图6b中700纳米处的透光率随SC4AD浓度变化的趋势图
ENDT与CB[8]一级组装、及与SC4AD二级组装的荧光变化。
作者们通过荧光光谱实验、对照实验细致分析ENDT与CB[8]一级组装、SC4AD与ENDT/CB[8]一级组装体进行二级组装的荧光变化（如图6所示），得出下列结论。
（1）ENDT与CB[8]发生一级组装后，最大发射波长发生红移同时出现明显增强，表现出较强的近红外发光。他们推断ENDT中的吡啶嗡盐与蒽环间的C—C单键的旋转受到限制而表现出荧光增强；ENDT/CB[8]一级组装体形成J聚集体，是荧光发射发生红移的原因。
（2）SC4AD与ENDT/CB[8]一级组装体进行二级组装后，荧光发射继续发生显著增强。他们推断随着SC4AD的加入，一方面进一步限制ENDT分子内相关单键的旋转，另一方面可以形成疏水空间而屏蔽水分子对ENDT的荧光影响。
图6. （a）自然光下，ENDT水溶液、ENDT/CB[8]一级组装体的水溶液的照片；（b）ENDT水溶液（0.02 mM）、ENDT/CB[8]一级组装体的水溶液（[ENDT] = [CB[8]] = 0.02 mM）的紫外吸收光谱图；（c）395纳米下，ENDT水溶液（0.02 mM）、ENDT/CB[8]一级组装体的水溶液（[ENDT] = [CB[8]] = 0.02 mM）、ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体的水溶液（[ENDT] = [CB[8]] = 0.02 mM，[SC4AD] = 0.04 mM）的荧光照片；（d）激发波长为470纳米下，ENDT水溶液（0.02 mM）、ENDT/CB[8]一级组装体的水溶液（[ENDT] = [CB[8]] = 0.02 mM）、ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体的水溶液（[ENDT] = [CB[8]] = 0.02 mM，[SC4AD] = 0.04 mM）的荧光发射光谱图。
ENDT/CB[8]一级组装体、ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体的扫描电镜图、透射电镜图及动态光散射数据。
（1）扫描电镜（SEM）图（如图7a所示）和透射电镜（TEM）图（如图7b所示）表明ENDT/CB[8]一级组装体形成纳米棒状结构；粉末衍射（PXRD）（如图8所示，）显示ENDT/CB[8]一级组装体形成有序的排列，进一步佐证了前文中ENDT与CB[8]形成n:n的雪橇状聚集体的结论。
（2）扫描电镜（SEM）图（如图7d所示）和透射电镜（TEM）图（如图7e所示）表明ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体形成纳米颗粒结构。
（3）动态光散射（DLS）数据表明ENDT/CB[8]一级组装体的动力学平均半径为530纳米（如图7c所示），ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体的动力学平均半径为360纳米（如图7f所示），而这两个平均值与透射电镜图显示的结果接近。
图7. （a）ENDT/CB[8]一级组装体的扫描电镜图；（b）ENDT/CB[8]一级组装体的透射电镜图；（c）ENDT/CB[8]一级组装体的动态光散射数据；（d）ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体的扫描电镜图；（e）ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体的透射电镜图；（f）ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体的动态光散射数据。
图8. ENDT/CB[8]一级组装体的粉末衍射图。
ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体用于靶向溶酶体细胞成像。
（1）作者们选用人体肺腺癌细胞（A549细胞）作为靶向溶酶体细胞，使用激光扫描共聚焦显微镜检测细胞经ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体染色后的分布情况。
（2）对照实验中，A549细胞仅被ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体染色后，才产生明显的红色荧光（如图9所示）。
（3）A549细胞可以被ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体染色，同时被染色的区域与使用商用LysoTracker Blue染料染色的区域接近（如图10所示）。
（4）浓度在0.08毫摩尔/升以内的ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体对A549细胞的毒性十分微弱（如图11所示）。
图9. （a）A549细胞经ENDT染色后的共聚焦荧光显微图；（b）A549细胞经ENDT/CB[8]一级组装体染色后的共聚焦荧光显微图；（c）A549细胞经ENDT/CB[8]/SDOBS组装体染色后的共聚焦荧光显微图；（d）A549细胞经ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体染色后的共聚焦荧光显微图。
图10. （a）A549细胞经ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体染色后的共聚焦荧光显微图；（b）A549细胞经LysoTracker Blue染料染色后的的共聚焦荧光显微图；（c）a图与b图的叠加图。
图11. 不同溶度下ENDT/CB[8]/SC4AD二级组装体对A549细胞产生的细胞相对异常的数据。
小结：刘育教授团队报道了一例ENDT荧光分子与CB[8]、SC4AD分等级组装，并产生两级增强的近红外荧光发射的超分子组装体。第一级中，没有近红外荧光发射的ENDT分子，与CB[8]组装形成纳米棒同时产生近红外荧光发射并表现出荧光增强；第二级中，ENDT/CB[8]一级组装体与SC4AD二次组装形成纳米颗粒，同时近红外荧光发射再次发生增强。进一步地，作者们将该二级组装体应用在靶向溶酶体细胞成像上。
文献连接：X.-M. Chen, Y. Chen, Q. Yu, B.-H. Gu, Y. Liu*, Supramolecular Assemblies with Near-Infrared Emission Two-Stage Mediated by Cucurbituril and Amphiphilic Calixarene for Lysosome-Targeted Cell Imaging. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201807373
本文由三苯胺供稿，化学加整理编辑。
▼ 注册入驻化学加网快速通道 ▼
（长按识别二维码进入注册）
欢迎广大读者分享赐稿或者有偿投稿
编辑手机/微信/QQ :18676881059
邮箱：gongjian@huaxuejia.cn
拓展阅读
更多精彩，关注本号后，点击菜单栏或回复字母查看
回复 V：Nature/Science 回复 W：有机化学
回复 T：科研动态 回复 i：美丽化学
回复 P：化工应用 回复 L：科普知识
回复 C：漫画化学 回复 D：化学趣史
回复 F：化学视频 回复 Z：科技名人