同時(shí)具有近紅外雙光子吸收、近紅外發(fā)射、細(xì)胞器成像以及光動(dòng)力治療功能的聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料（AIEgen）在生物成像和診療領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用前景。近日，香港科技大學(xué)的唐本忠院士團(tuán)隊(duì)通過合理構(gòu)筑推拉電子結(jié)構(gòu)，發(fā)展了一系列具有強(qiáng)雙光子吸收和近紅外發(fā)射的AIEgens應(yīng)用于細(xì)胞器成像和光動(dòng)力治療。
熒光成像具有操作簡單、結(jié)果直觀、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。與可見光相比，近紅外光（波長> 700 nm）具有穿透深度大、生物自發(fā)熒光干擾小、對(duì)生物體造成的光損傷小等優(yōu)勢，因此開發(fā)同時(shí)具有近紅外激發(fā)和發(fā)射的熒光染料成為熒光成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的近紅外熒光染料通常具有較大的剛性平面結(jié)構(gòu)，在高濃度或聚集態(tài)下易發(fā)生π-π堆積而導(dǎo)致熒光淬滅（aggregation-caused quenching，ACQ）。除此之外，傳統(tǒng)染料常常具有較小的斯托克斯位移、熒光效率低、光穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。近年來，聚集誘導(dǎo)熒光（aggregation-induced emission，AIE）材料的發(fā)展可以有效地解決上述諸多疑難問題。然而，已開發(fā)的近紅外AIE材料的種類仍有限，能用于雙光子細(xì)胞器熒光成像和治療的近紅外AIE材料的報(bào)道更是屈指可數(shù)。有鑒于此，設(shè)計(jì)開發(fā)具有高亮度近紅外發(fā)射和強(qiáng)雙光子吸收的多功能AIEgens對(duì)于生物醫(yī)學(xué)影像及診療具有重要的實(shí)用意義。
在本文報(bào)道的工作中，研究人員通過構(gòu)筑推拉電子結(jié)構(gòu)，以二苯胺為給電子基團(tuán)，引入不同的強(qiáng)吸電子基團(tuán)，利用富電子咔唑作為橋連基團(tuán)，設(shè)計(jì)合成了一系列具有D-π-A結(jié)構(gòu)的聚集誘導(dǎo)熒光材料。該類分子表現(xiàn)出扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）和聚集誘導(dǎo)熒光（AIE）的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)節(jié)分子內(nèi)吸電子基團(tuán)的吸電子能力可以有效地紅移分子的固體熒光波長至近紅外區(qū)域，使其發(fā)射波長達(dá)到665-765 nm。鑒于其優(yōu)異的AIE性質(zhì)，固體熒光的量子產(chǎn)率可達(dá)30%。此外，目標(biāo)化合物均具有較大的斯托克斯位移（187?244 nm），在生物成像中有利于減小激發(fā)和發(fā)射波長間的相互干擾。雙光子激發(fā)熒光測試表明，四種AIEgens在近紅外區(qū)域均具有強(qiáng)雙光子吸收，最大雙光子吸收截面值可達(dá)887 GM。這一結(jié)果顯示，增強(qiáng)吸電子基團(tuán)的吸電子能力以及增加分子的共軛長度可以有效地提高分子雙光子吸收的性質(zhì)。
進(jìn)一步的研究表明，三種中性AIEgens（DCMa、DCIs和DCFu）可以特異性成像脂滴（lipid droplet），主要是由于親脂性的AIE材料可以選擇性地富集于脂滴。另外一種帶正電荷的化合物DCPy可以特異性靶向線粒體（mitochondria），DCPy特異性靶向線粒體的特性主要來源于其攜帶正電荷的屬性，與高負(fù)電位的線粒體具有較強(qiáng)的靜電相互作用，選擇性地富集于線粒體內(nèi)。此外，通過小鼠尾靜脈注射，AIE材料可應(yīng)用于小鼠肝臟和腎臟器官內(nèi)脂滴和線粒體的雙光子熒光成像。得益于近紅外雙光子激發(fā)和近紅外發(fā)射，其組織成像深度可達(dá)150 μm。值得一提的是，在白光燈照射下，四種化合物均可以有效地產(chǎn)生單線態(tài)氧，其中，DCPy產(chǎn)生活性氧的能力最好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常用的光動(dòng)力治療試劑Ce6。細(xì)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能夠快速殺死癌細(xì)胞。
該研究不僅提供了一系列具有強(qiáng)雙光子吸收、高亮度近紅外發(fā)射的AIEgens用于特異性細(xì)胞器（脂滴或線粒體）成像以及細(xì)胞器靶向的光動(dòng)力治療，而且為開發(fā)新型具有多光子吸收的近紅外AIEgens用于生物醫(yī)學(xué)影像及診療提供新的設(shè)計(jì)思路。
這一成果近期發(fā)表在ACS Nano 上，文章的第一作者是香港科技大學(xué)的博士后鄭正、張?zhí)旄?/strong>和劉海翔，通訊作者為唐本忠院士。
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