国家自然科学一等奖–聚集诱导发光点亮的生命科学世界

钢铁侠 6年前 (2018-01-21) 12879浏览

材料人注：在刚刚落下帷幕的2017年度国家科学技术奖中，“AIE之父”唐本忠院士团队凭借“聚集诱导发光”获得国家自然科学一等奖。我们邀请唐院士团队对聚集诱导发光材料在生命科学上的应用做一个分享。

聚集诱导发光（aggregation-induced emission，AIE）是唐本忠院士团队在2001年偶然发现的现象：一种在溶液中以单分子形式存在的不发光的噻咯衍生物，随着溶剂的逐渐挥干，荧光却渐渐加强。课题组在此基础上进行了一系列深入地探索研究，提出了聚集诱导发光的新概念。为解决传统ACQ材料所存在的问题，提供了新的思路；也为生物成像领域的发展开启了新的大门。经过十多年的努力与发展，AIE材料在细胞器染色、病原体识别、细胞长周期示踪、光动力学治疗等领域表现出了显著的优势。对比于传统的ACQ荧光材料，AIE材料的优势主要体现在：低背景、信噪比高、灵敏度好、抗光漂白能力强等方面。这里就让我带领大家走进聚集诱导发光点亮的生命科学世界。

AIE材料在生物领域的应用

1. 远红外/近红外成像

众所周知，红光材料，尤其是远红外和近红外材料在生物成像中有着高度的需求。这是因为生物体在近红外和远红外区域内，具有较低的吸收和自发荧光，因此可以减少背景干扰，提高成像的信噪比和灵敏度。除此之外，远红外/近红外光由于能量较低，对生物体的伤害也比较低；而由于其波长较长，具有较强的组织穿透能力。纵然红光材料在成像领域中的种种优势，现在红光材料所存在的缺陷是荧光量子产率太低。而传统的ACQ分子因为“越聚集越淬灭”的缺陷并不能解决这个问题，而“越聚集越发光”的AIE材料则为这个领域注入了新鲜的血液。目前为止，大量远红外/近红外的AIE材料被开发出来，并在生物成像中取得出色的效果。

AIE材料在脑血管成像中的应用，成像深度为0-1200微米

2. 双/三光子成像

荧光成像的高速发展要求材料具有更好的组织穿透能力、对生物体的伤害更低，更高的信噪比和出众的时空分辨率。然而，常规的单光子荧光材料并不能满足这些需求。单光子荧光材料的激发光波长通常在350-500纳米。这种波长的激发光波长较短且能量较高，因而其组织穿透深度通常小于100微米，且会对生物体造成一定的伤害。不仅如此，这个波长的激发光可以激发生物体的自荧光，对成像信号造成干扰，降低信噪比。因此，双/三光子成像在成像领域受到了广泛的关注。与单光子成像相比，双/三光子成像在组织穿透能力、生物体保护、信噪比和时空分辨率上均有很好的表现。双/三光子成像要求材料具有较大的双/三光子吸收截面，而部分AIE材料可以满足这个要求。目前，基于AIE的双/三光子成像受到了广泛的关注。

AIE材料在斑马鱼血管三光子成像中的应用

3. 细胞器特异性染色

细胞器一般认为是散布在细胞质内具有一定形态和功能的微结构和微器官。细胞中的细胞器主要有：线粒体、内质网、叶绿体、高尔基体、核糖体等。他们对细胞的正常工作和运转起到了非常重要的作用。比如脂粒可以调控细胞内脂质的代谢和储存；线粒体是细胞的动力马达，为细胞的活动提供了能量，除此之外，线粒体还参与了细胞的分化、信息传递和细胞凋亡等过程。这些细胞器的异常通常是很多疾病的预警信号，比如糖尿病、帕金森综合征、癌症等。因此，细胞器的特异性成像和细胞器形貌的观测为疾病诊断提供了帮助。传统的细胞器荧光染料主要是ACQ材料，相对于这类材料，AIE材料主要有低背景、信噪比高、灵敏度好、抗光漂白能力强的优势。目前，已经有大量基于AIE的细胞器染料被开发出来，包括细胞膜、脂粒、线粒体、溶酶体和细胞核等。

AIE材料在线粒体特异性染色中的应用

4. 癌症细胞识别

癌症已经成为威胁人类生命和健康的首要敌人。在癌症扩散之前的早期检测是提高癌症病人存活率的有效方式。但目前为止，从细胞水平区分癌症细胞和正常细胞依然面临多方面的挑战。基于荧光的检测方法相比于其他传统的成像方式（比如核磁共振），具有成像迅速、方法简单、不需要精密仪器等一系列的优点。用于癌症检测的AIE探针已经被大量开发和应用，并且取得了不错的效果。这类探针的设计思路通常是将AIE染料与水溶性的癌症靶向的生物大分子（多肽、抗体、核酸适配体等）偶联。探针与癌细胞特异性结合之后才发光，大大降低了成像的背景荧光。

AIE材料对肝癌细胞特异性成像

5. 细菌成像

细菌，无处不在，并在人类生活的方方面面扮演着各种各样的角色，比如环境监测、医疗卫生、制药工业等等。一些细菌对人类健康是无害的，比如大肠杆菌；然而另一些细菌对人类是有害的，甚至是致命的。在细菌相关的研究中，最重要的课题是细菌的检测（成像）、细菌成活率评估、抗生素筛选和灭菌。基于荧光的生物检测凭借其快速、简便和灵敏度高的特点被广泛地应用。目前，针对细菌的AIE荧光探针已经被开发报导。

AIE材料在死活细胞区分中的应用

6. 光动力学治疗

光动力治疗是指利用光敏剂作为药物，其在一定波长的光照下与氧气作用产生活性氧（ROS），通过活性氧杀伤细胞、细菌的一种非侵入性疗法。传统的用于治疗癌症的临床策略包括手术、放疗、化疗等方法。手术对于转移到重要器官附近的癌细胞往往无能为力；放疗的电离辐射会不可避免地损伤细胞的DNA，因此具有较严重的副作用，包括损伤正产组织细胞、形成瘢痕组织等。传统化学疗法常受到药物抗性的阻碍，且控制困难。因此光动力治疗则具有非常明显的优势：光动力治疗不受药物抗性的困扰；光敏剂本身在没有光的情况下毒性很小或没有，因此这些药物在人体内的积累也能最大限度地降低正常组织的受损；与放疗相比，激发光敏剂的光波不具有电离作用，安全无害。传统的光敏剂，如卟啉衍生物，具有很强的疏水性和刚性平面结构，倾向于在水介质中发生π-π堆积，形成激基缔合物，导致荧光淬灭，产生活性氧ROS的效率下降，在影响成像质量的同时，也大大降低了光动力学治疗的效果。相比于传统的ACQ类光敏剂，AIE光敏剂具有很好的光稳定性，保证了成像质量和光动力学治疗效果。

AIE光敏剂在癌症光动力学治疗中的应用

7. 磷光AIE探针

荧光成像很容易受到生物背景荧光和散射光的影响。除了前面所提到的近/远红外成像和双/三光子成像，磷光材料也可以减少生物背景干扰，从而提高信噪比。磷光的寿命在微秒到毫秒的区间，远远长于纳秒水平的荧光。因此使用磷光材料，可以将来自于寿命较短的背景荧光和散射光的干扰降低到很低的水平。基于以上所述优点，很有必要开发磷光AIE材料。目前磷光AIE材料还比较稀少，需要更多的探索与发现。