【材料】Angew：“Turn on”型荧光分子用于冷冻手术的实时成像

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冷冻手术是利用对局部组织的冷冻，可控地破坏或切除活组织的治疗方法。其具有疼痛小、出血少、发病率低、恢复时间短、成本低等优点，因此在治疗癌症方面具有明显的优势。然而，冷冻手术中无法对癌细胞进行实时、选择性地成像，导致周围正常细胞的冷冻损伤以及癌细胞的不完全杀伤，严重限制了其治疗效果。因此，开发一种简单有效的方法用于冷冻手术中实时成像引导和监测显得尤为迫切。

近日，中国科学院化学研究所的王健君课题组、北京理工大学的董宇平课题组及其合作者报道了一种具有聚集诱导发光（AIE）特性的TABD-Py分子，该分子与冰晶特异性相互作用后在冰/水界面形成聚集体。值得一提的是，TABD-Py分子仅在癌细胞中聚集产生强烈的荧光，并且表现出良好的生物相容性，可用于冷冻手术的实时成像。相关成果以“Freezing Induced Turn-on Modality for Real-time Imaging in Cryosurgery”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.201813239）。

作者基于具有AIE性质的四芳基丁二烯结构设计合成了TABD-Py分子（图1a）。该分子可溶于DMSO和水中，不溶于CH₂Cl₂、丙酮和THF中，因此，作者选用了水-丙酮体系探究其AIE特性。由荧光发射光谱图可知（图1b），当不良溶剂丙酮的体积分数达到99%时，发射峰出现了明显的红移，这主要是由于聚集导致TABD-Py分子平面化。随着丙酮的体积分数由90%增加到99%，荧光强度增加35倍，说明TABD-Py分子具有良好的AIE特性。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

接着，作者通过控制冰的形成，研究了TABD-Py分子在冰冻过程中的发光特性。从图2a可以看到，由于TABD-Py在水和冰中的荧光强度差异较大，其界面易于区分。进一步探究冰冻诱导荧光发射的机理，作者发现了单晶的定向传播（图2b）；高倍荧光显微图像显示荧光信号位于冰/水界面，而不是在单个冰晶内部（图2c）。对此，作者猜测，当冰形成时，TABD-Py分子将在冰/水界面处聚集（图2d），其分子内旋转受到限制，从而发生AIE现象。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

随后，作者观察了TABD-Py水溶液和纯水中冰晶的形状和生长情况。在0.15 ℃的过冷温度下，纯水中冰晶呈现圆盘状，且生长迅速，6 s内显微镜的视野内充满了冰（图3a）。TABD-Py水溶液中，冰晶呈现六边形，随后逐渐长成树枝状（图3b），同时生长速度明显比纯水慢。结果表明，TABD-Py分子与冰晶之间存在着特殊的相互作用。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者进一步探究了TABD-Py分子的生物相容性。作者在室温下通过405 nm的光照射发现，用TABD-Py染色的HeLa细胞呈现蓝色，用中性红染色的细胞呈现红色（图4a-d）。冰冻条件下，用TABD-Py染色的HeLa细胞荧光强度大大增强，而用中性红染色的细胞荧光强度显著降低（图4e-h）。上述现象表明，TABD-Py分子在冰冻条件下具有“Turn on”特征，而常规染料则表现出明显的“Turn off”特征。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

最后，作者选取NIH 3T3细胞（正常细胞）和HeLa细胞（癌细胞）为研究对象，探究TABD-Py分子在活细胞中的特异性成像。如图5a和5b所示，经TABD-Py染色的NIH 3T3细胞在室温下表现出微弱的荧光信号，而HeLa细胞在相同条件下呈现明亮的蓝色荧光。在冷冻条件下，经TABD-Py染色的NIH 3T3细胞表现出极低的荧光强度，而HeLa细胞表现出强烈的荧光发射（图5c和5d）。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

总而言之，作者设计合成了一种新型的具有AIE特性的荧光分子TABD-Py，它可以特异性地与冰晶相互作用并在冰/水界面形成聚集体。该分子具有良好的生物相容性以及能够特异性富集于癌细胞的性质，使得癌细胞在冰冻状态下很容易与正常细胞区分开。这种独特的“Turn on”型成像方式为外科手术医生在冷冻手术中创造了便利的条件。

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