唐本忠院士团队深圳大学AIE研究中心王东副教授&南方科技大学李凯副教授 AFM：合理设计两性离子AIEgens用于NIR-II荧光成像引导协同光疗

【背景介绍】

荧光成像（FLI）技术具有无创检测、灵敏度高、原位可操作等诸多优势，已成为当今生命科学领域最重要的技术手段之一，在生物医学领域有巨大前景。其中，近红外光二区（NIR-II，1000—1700 nm）的FLI可以加深穿透力、减少组织自发荧光，并使对生物结构的光损伤最小化。然而，目前的NIR-II荧光分子通常存在毒性高、易聚集猝灭、光稳定性差等问题。2001年，香港科技大学唐本忠院士首次提出“聚集诱导发光（AIE）”的新概念，开创性地开辟了一个由中国科学家提出并引领的科学领域。聚集诱导发光是指一类荧光团在分子溶解状态下显示微弱的发射或不发射，但在聚集状态下表现出强烈发射的一种独特的光物理现象。AIEgens具有纳米聚集体的高亮度、高的光漂白阈值和大的斯托克斯位移等优点。目前，已报道的AIEgens存在各自的缺点和共同的缺点，它们的通用合成方案一般需要复杂的多步反应和纯化不方便，严重阻碍了其实际应用。同时，大多数NIR-II AIEgens采用苯并[1, 2-c: 4, 5-c′]二（[1, 2, 5]噻二唑）(BBTD)作为电子接受单元的给电子-接受-给电子（D-A-D）型结构，因此需要进一步改善分子多样性。此外，FLI引导的光动力疗法（PDT）或光热疗法（PTT）是一种同时对肿瘤进行诊断和治疗，因此用于NIR-II的FLI引导的协同光疗仍然面临巨大挑战。

【成果简介】

近日，唐本忠院士团队深圳大学AIE研究中心报道了一种合理的设计和简便的合成方案，并利用该方案制备了一系列新颖的、具有近红外（NIR）发射特性的两性离子AIEgens（具有聚集诱导发射（AIE）性质）用于癌症光热与光动力联合治疗。在这些AIEgens中，制备的BITT dots具有长发射波长、有效产生活性氧和出色的光热转换效率（35.76％）等固有特性。此外，通过体外和体内评估实验表明，BITT dots既能在NIR-II荧光成像中提供了出色的性能，又能有效地引导针对癌症的协同光疗。研究成果以题为“Zwitterionic AIEgens: Rational Molecular Design for NIR-II Fluorescence Imaging-Guided Synergistic Phototherapy”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、利用BITT dots进行NIR-II FLI介导的抗癌协同光疗示意图

图二、BITT的设计策略
 
图三、AIEgens的结构和合成

图四、BITT和ITT的单晶结构
（A）通过单晶X射线衍射确认BITT的单晶结构；

（B）通过单晶X射线衍射确认ITT的单晶结构。

图五、BITT、BITB、ITT和ITB的光学性质
（A）AIEgens溶于乙醇的紫外-可见吸收光谱；

（B）AIEgens在不同Hexane组分的EtOH/Hexane的PL光谱；

（C）BITT和ITT的固体发射光谱；

（D）利用DCFH-DA作为指示剂，在激光辐照（660 nm，0.3 W cm^-2）下，AIEgens（1×10^-6 M）产生的ROS；

（E）在660 nm，0.3 W cm^-2的激光辐射下，AIEgens（3×10^-4 M）的光热转化行为；

（F）BITT dots在水溶液中的吸收和发射光谱。

图六、BITT dots的体外光热和光动力性质
（A）与BITT（6.68 µg mL^-1）孵育1 h后，对4T1细胞进行CLSM成像，红色荧光对应于BITT、细胞核与蓝色荧光共定位；

（B）在有无激光照射下，不同浓度BITT染色的4T1细胞的存活率；

（C）使用DCFH-DA和BITT（20 µg mL^-1）经过多种处理后，对4T1细胞内ROS进行CLSM成像；

（D）用FDA（绿色荧光）/PI（红色荧光）和BITT（20 µg mL^-1）评估在各种处理方法处理4T1细胞后的活/死细胞染色。

图七、4T1肿瘤小鼠模型的体内成像和治疗
（A-B）瘤内注射BITT dots后，不同时间点的4T1荷瘤小鼠的NIR-II FL图像和NIR-II FL图像；

（C）注射BITT dots并随后激光照射，4T1荷瘤小鼠的红外热图像；

（D）不同治疗条件下，小鼠的肿瘤生长曲线；

（E）不同治疗组中小鼠的体重变化。

图八、通过BITT dots光疗后小鼠的组织学H＆E、TUNEL（红色荧光）和CD31（绿色荧光）染色分析

【小结】

综上所述，作者合理设计并合成了一系列新颖的AIE分子（BITT、BITB、ITT和ITB）。在这些AIEgens中，具有转子扭曲结构、高D-A强度和强NIR-II发射的BITT表现出最优异的ROS产生效率和光热转换效率（35.76％）。体外实验表明，BITT对癌细胞具有低的暗毒性和高的光毒性。体内评估表明，在 660nm （0.3W cm^-2）的激光照射下，肿瘤表面温度升至55 ℃，同时展示了良好的小鼠肿瘤的NIR-I和NIR-II的荧光成像。体内实验表明，BITT dots具有优异的生物相容性。通过光疗后，4T1肿瘤小鼠的肿瘤消除表明，BITT dots通过协同的PDT-PTT光疗法表现出优异的抗癌效果。这些结果表明，BITT（AIEgen）可以作为单一组分探针应用于NIR-II FLI介导的癌症诊疗方法中。总之，该研究为NIR AIEgens的设计提供了一种有希望的策略，并为有效的癌症治疗提供了一种新思路。

该论文的第一作者是深圳大学AIE研究中心朱维博士，共同第一作者为深圳大学AIE研究中心康苗苗博士。深圳大学AIE研究中心执行主任王东副教授为论文第一通讯作者，南方科技大学李凯副教授及AIE研究中心荣誉主任唐本忠院士为共同通讯作者。该论文得到了深圳大学王雷教授、吴谦博士、张志军博士、吴一同学，中科院深圳先进院李纯斌同学的支持和帮助。该研究得到国家自然科学基金委及深圳大学自然科学基金等经费支持。

文献链接：Zwitterionic AIEgens: Rational Molecular Design for NIR-II Fluorescence Imaging-Guided Synergistic Phototherapy.（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202007026）

通讯作者简介

唐本忠院士：唐本忠，中国科学院院士，香港科技大学张鉴泉理学教授、化学系与生物医学工程系讲座教授，深圳大学AIE研究中心荣誉主任。主要从事高分子化学和光电功能材料研究，在聚集诱导发光（Aggregation -Induced Emission, AIE）这一化学和材料前沿领域取得了原创性和引领性的研究成果。作为AIE概念的提出者和研究的引领者，唐本忠教授累计发表学术论文约1700篇，引用80000余次，h-指数为131，并于2014-2017年连续入选化学和材料双领域高被引用科学家。先后获得多项荣誉及奖励，如国家自然科学一等奖（2017）、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）等。

本文由CQR编译。

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