【人物与科研】香港科技大学唐本忠院士课题组：聚集诱导发光材料在双光子生物医学成像中的探索和应用

导语

近年来，荧光成像在实时监测体内重要的生物分子、追踪细胞内多种生理过程以及成像介导的治疗等方面展示了广阔的应用空间。通常情况下，活体样本中特别是组织等对短波长具有强的吸收、散射和反射，导致浅的穿透深度和低的成像信噪比。相对于单光子荧光成像，双光子荧光成像由于近红外NIR脉冲光的激发展示出了深的穿透深度、优异的成像信噪比和高的时空分辨率等优点。  基于传统荧光材料的双光子荧光成像已经取得了丰硕和令人印象深刻的成果，不过传统荧光材料通常由于较好的平面π共轭体系容易在高浓度或聚集条件下发生聚集荧光淬灭（ACQ）现象，制约了其荧光成像的进一步应用。2001年，香港科技大学唐本忠院士团队提出了与ACQ效应完全相反的聚集诱导发光（AIE）现象，AIE材料在生物医学方面也展现了巨大的潜在应用。在AIE分子结构母体上引入给体-受体（D-π-A）或者扩展π-共轭体系，通常可以获得具有强双光子吸收的AIE材料。近年来，唐本忠院士团队在双光子成像领域取得了一系列可喜的成果。

唐本忠院士简介

唐本忠，香港科技大学讲座教授，中国科学院院士。1982年于华南理工大学获学士学位，1988年于日本京都大学获博士学位。之后在日本 NEOS 公司中央研究所任高级研究员、加拿大多伦多大学化学与药学系从事博士后研究。1994年加盟香港科技大学化学系，2008 年晋升为讲座教授。2009年当选中国科学院院士，2013年荣升香港科大张鉴泉理学教授并当选英国皇家化学会Fellow，2015 年在华南理工大学人体组织功能重建国家工程技术研究中心支持下获批香港分中心，并任主任一职。现为科技部 973 计划项目首席科学家、国家自然科学基金基础科学研究中心项目负责人、广东省引进创新科研团队带头人、华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室学术委员会主任，以及中国化学会和英国皇家化学会联合期刊Materials Chemistry Frontiers主编。  2001年，唐本忠院士及其团队在国际上首次提出了“聚集诱导发光”（AIE）的概念，这一领域的研究被汤姆森-路透社科学瞭望网站列为2013年化学和材料领域前三的研究前沿。作为AIE概念的提出者和研究的引领者，近年来该团队主要致力于AIE材料的研究，并探索其在有机电致发光器件、生物和化学荧光探针、生物医学成像及其疾病的诊断和治疗等领域的应用。迄今为止，唐本忠院士累计发表学术论文约1000余篇，引用80,000多次，h指数为130，于2013-2018年度多次被评为材料和化学科学双领域“高被引科学家”。  唐本忠院士先后获得了多项荣誉及奖励，如国家自然科学一等奖（2017，第一完成人）、何梁何利科学与技术进步奖（2017）、第27届夸瑞兹密国际科学奖（2014）、美国化学会高分子学术报告奖（2012）、国家自然科学二等奖（2007，第四完成人）、裘槎高级研究成就奖（2007）、中国化学会高分子基础研究王葆仁奖（2007）和爱思唯尔出版社冯新德聚合物奖（2007）等。

前沿科研成果

一、调控温度构筑结构多样化的双光子AIE材料

  图1. 不同结构功能化的丙烯腈类AIE材料的构筑、固体荧光发射以及在活细胞、深层活组织和活体中的单/双光子荧光成像。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

一般情况下，不同结构功能化的荧光材料需要利用不同的反应底物通过合适的反应来构筑。基于不同反应温度的控制，唐本忠院士团队首次报道了一种无重金属催化的、无危险和有毒物质参与的、有效原子利用率的简易合成方法构筑了两个结构可调控的丙烯腈类AIE荧光材料（图1，J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 15111-15120），这两个AIE荧光材料具有优异的光物理性质，比如大Stokes位移、红光发射、高固体荧光量子产率（高达37.6%）、大的双光子吸收截面（高达504 GM）等。作者通过纳米沉淀法制备了水溶性的纳米材料，证实了其在活细胞、深层组织和活体单/双光子荧光成像中的潜在生物医学应用。重要的是，该工作提供了一种新的简易合成策略来构筑其他基于丙烯腈类多功能双光子荧光材料。由于研究工作的新颖性和重要性，该工作被编辑选为JACS封面工作（Supplementary Journal Cover）。
二、选择性点亮活细胞和深层活组织中的亚细胞器
图2. 基于萘的脂溶性AIE材料以及在活细胞和深层活组织中的单/双光子荧光成像。 （来源：Chem. Mater.）
脂滴是一种广泛存在大多数细胞和生物体系中的动态细胞器，参与了许多重要的生理功能。近年来研究发现，脂滴与肥胖、糖尿病、炎症和癌症等紧密相关。因此，开发出有效的方法对活细胞和活组织样本中脂滴直接和选择性的可视化和监测显得格外重要。最近，唐本忠院士团队基于萘构筑了一类新型脂溶性D-π-A类AIE材料并在超低浓度下用于单/双光子脂滴特异性成像（图2，Chem. Mater. 2018, 30, 4778-4787）。这些AIE材料具有高固态荧光量子产率（高达30％）、良好的双光子吸收截面（在860 nm处为45-100 GM）、优异的光稳定性和生物兼容性等优点。研究发现，这类AIE材料可以在15分钟内实现对脂滴特异性超低浓度（50 nM）成像，该浓度是目前报导的活细胞中脂滴染色的最低值。计算的油水分配系数ClogP进一步揭示了这些脂溶性聚集诱导发光材料能够特定的靶向脂滴。这类AIE材料在活细胞和小鼠活肝脏组织中脂滴的体外和离体双光子成像也被成功证实了。重要的是，在约70 μm深的小鼠活肝脏组织中也首次成功实现了对脂滴选择性双光子可视化。该工作为未来研究活体生物样品中脂滴相关的生理和病理过程提供了一类优异的候选荧光探针。

后来，该团队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结构的近红外AIE材料（ACS Nano 2018, 12, 8145-8159）。并在双光子激发下，实现了小鼠肌肉深层组织和肝脏深层组织中线粒体（77 μm）和脂滴（129 μm）的分别双光子荧光成像。值得一提的是，在白光灯照射下，该类化合物均可以有效地产生单线态氧，能够快速杀死癌细胞。最近，基于丙烯腈类衍生物，该团队又报道了2个长烷基链取代、不同电荷分布的AIE NIR荧光材料CS-Py⁺SO₃⁻和CS-Py⁺（Biomaterials 2019, 208, 72-82）。CS-Py⁺SO₃⁻和CS-Py⁺分别选择性靶向活细胞中的细胞膜和线粒体中，同时多种数据结果显示了这两个AIE材料很可能以“单分子”的形式固定在细胞中。并且CS-Py⁺对活的老鼠骨骼肌组织中的线粒体成功实现了双光子深度荧光成像（100 μm）。重要的是，这两个AIE材料特别是CS-Py⁺在强的单光子和双光子的持续照射下具有优异的抗光漂白能力。  三、深层血管的可视化
图3. 超亮红光AIE材料、AIE荧光曲线以及在深层血管中的双光子荧光成像。 （来源：Chem. Sci.）
一般情况下，实现高效双光子荧光成像有两个基本条件：一是强的双光子吸收，即大的双光子吸收截面；二是发光材料具有高的荧光量子产率。根据双光子吸收截面计算公式知，双光子吸收截面的大小与材料的荧光量子产率成反比，故兼顾大的双光子吸收截面的同时，保留高的荧光量子产率比较难以实现，而文献中也鲜有报道该类材料。最近，唐本忠院士团队制备了超亮红光发射的AIE纳米材料，并用于深层血管的高分辨率双光子荧光成像（图3，Chem. Sci. 2018, 9, 2705-2710）。该水溶性纳米材料具有红光发射（630 nm）和强的抗光漂白能力，并且荧光量子产率高达34.1%，同时也具有强的双光子吸收，双光子吸收截面达310 GM。相对于单光子成像，该AIE纳米材料在肝脏组织中具有较深的双光子荧光穿透和较高的成像分辨率。老鼠耳血管和脑血管深层双光子成像也成功实现了，穿透深度分别为110 μm和350 μm。重要的是，该团队首次实现了深层老鼠耳血管中毛细血管尺寸的精确测量。该工作提了一种重要的策略用于构筑高效发光和强双光子吸收的荧光材料以及其在深层组织中的生物医学成像应用。

图4. NIR AIE材料以及在超深层脑血管中的双光子荧光成像。 （来源：ACS Nano）
相对于传统的近红外I区（700-950 nm），近红外II区（1000-1700 nm）激发的双光子造影剂具有更弱的组织吸收、散射、发射和自发荧光，因此有利于提高组织的穿透能力。该团队接着报道了AIE纳米材料用于1300 nm近红外II区激发和近红外I区发射的活体双光子成像，在老鼠脑部的成像深度超过1000 μm（图4，ACS Nano 2018, 12, 7936-7945）。该AIE纳米材料最大吸收位于635 nm，发射波长则可以覆盖700-1200 nm的范围，荧光量子产率可以达到13.9%；并且具有优异的光稳定性和抗活性氧氮的能力以及很大的双光子吸收截面（1.22×10³ GM）。将AIE纳米材料通过尾静脉注入到老鼠体内后，在1300 nm飞秒激光的激发下，老鼠的脑部双光子荧光显微成像结果表明，1065 μm深度的毛细血管仍然清晰可见，实现了4.9 μm高分辨率，是目前活体内双光子荧光成像的最佳效果。同时，脑部血管的三维结构也清晰可见，包括大血管、毛细血管以及血管连接部位等。该有机AIE材料可以实现与无机半导体量子点等相媲美的成像效果，为有机材料的生物医学应用提供了新的思路。
四、双光子成像介导的高效光动力治疗
图5. 优异稳定性的AIE光敏剂材料以及双光子荧光成像介导的对癌细胞的高效杀伤。 （来源：Chem.-Eur. J.） 光动力治疗是一种非侵入式的新型治疗方式，对各类皮肤疾病甚至皮肤癌具有独特的疗效。然而传统的光动力治疗由于激发光波长短（光穿透性差）只能局限于人体体表疾病的治疗，而双光子光敏剂基于近红外脉冲光的激发能够大大增加光对组织的渗透深度，在深层组织治疗方面具有巨大的应用优势。另一方面，多数光敏剂在抗双光子漂白的能力方面存在着不足。基于此，唐本忠院士团队报道了一种基于吡嗪类AIE材料的水溶性和高光稳定性AIE 纳米光敏剂，并将其用于癌细胞光动力治疗（图5，Chem.-Eur. J. 2018, 24, 16603-16608）。由于吡嗪类分子的AIE特性和其独特的D-π-A-π-D结构，该纳米材料具有优异非线性光学性质，在1040 nm激发下具有超大的双光子吸收截面（高达3.28×10⁶ GM）。重要的是，该纳米材料在单光子或近红外双光子激发下能够发射强的红色荧光，可用于活细胞高信噪比的双光子荧光成像。更难得可贵的是，在双光子激发下该纳米材料能够有效的产生单线态活性氧，并且具有优异的抗光漂白性能力，从而对癌细胞具有高效的杀伤作用。该工作提供了一种性能优越的新型光敏剂材料，并用于双光子成像介导的高效光动力治疗，对后续活体深层组织中癌症的治疗具有重要的潜在应用。

上述科研成果的第一作者有香港科技大学秦玮博士（现中山大学研究员）、陈明博士（现暨南大学副教授）、齐迹博士、牛广乐博士和郑正博士，共同第一作者有张鹏飞博士、张若瑶博士、邝培竣同学、张天富同学、刘海翔同学、孙超伟同学、李慧同学和谢维丝同学，香港科技大学唐本忠院士为通讯作者，共同通讯作者有山东大学于晓强教授、浙江大学钱骏教授和汪亚伦博士。相关研究得到国家自然科学基金委、深圳市科技创新委员会等经费的支持。

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J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 15111-15120
Chem. Mater. 2018, 30, 4778-4787
ACS Nano 2018, 12, 8145-8159
Biomaterials 2019, 208, 72-82
Chem. Sci. 2018, 9, 2705-2710
ACS Nano 2018, 12, 7936-7945
Chem.-Eur. J. 2018, 24, 16603-16608

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