华南理工大学材料学院唐本忠

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水溶性、近红外发光、具有特异性成像和治疗功能的聚集诱导发光（AIE）分子的合成是一大挑战。近日，香港科技大学唐本忠院士团队报道了第一例具有以上特性的AIE分子。此分子可以快速（几秒钟）、特异性地靶向细胞膜，且不需要洗涤，也可以用于小鼠肿瘤成像。该AIE分子具有很强的产生活性氧的能力，能够通过光动力治疗途径高效地杀死癌细胞。


由于近红外区（NIR，波长 >700 nm）的荧光发射具有穿透深度大、生物自发荧光干扰小、对生物体造成的光损伤小等特点，所以近红外生色团在生物成像领域受到了广泛关注。传统的 NIR 荧光生色团通常具有较大的平面结构，在聚集态下易发生π-π堆积而导致荧光淬灭（ACQ）。目前，近红外发光的AIE分子的合成和生物应用的相关报道较少。鉴于生物学研究是在水介质中进行的，水溶性、近红外发光AIE分子的开发在生物学应用中将具有重大意义。本工作设计合成了分子TVP和TTVP（图1）。得益于吡啶盐和季铵盐基团的存在，TVP和TTVP具有良好的水溶性；得益于末端三苯胺基团的扭曲构象，以及众多的转动基团，TVP和TTVP展示出经典的AIE特性（在水溶性中不发光，而在聚集态高效发光）；得益于延长的共轭与增强的电子供（D）-吸（A）效应，TVP和TTVP具有较长的发射波长，其中TTVP在聚集状态下的最大荧光发射波长为708 nm。

图1：TTVP的合成路线、结构特点以及光学性质

研究发现，TTVP能够特异性地靶向细胞膜，无需洗脱操作即可清晰成像（图2）。而且，当染色时间缩短至几秒钟时，仍然可以达到优异的细胞膜染色效果。TTVP特异性靶向细胞膜的特性主要来源于其携带正电荷属性、两亲性及AIE特性。正电荷的存在可以诱导TTVP通过静电相互作用与细胞膜结合；由于其良好的亲水性，TTVP在短时间内不会穿透细胞膜的磷脂双分子层的疏水区域；同时TTVP具有疏水性的发光基团嵌入该疏水区域，分子内旋转受阻从而在激发下发光。超短的染色时间、较低的染色浓度、免洗特性、良好的染色效果和特异性、长发射波长、大的Stokes位移，使得TTVP远远优于已经商品化的细胞膜染料（例如DiO、CellMask等）。

图2：快速、免洗特异性细胞膜染色

研究表明，TTVP具有出众的产生活性氧的能力，在白光灯照射下，其产生的活性氧能够使得H2DCF-DA的荧光在短短1分钟内增强87倍。细胞存活率分析（MTT assay）和流式双染实验（flow cytometric analysis using Annexin V-FITC/propidium iodide (PI) double staining）显示，在光照下，较低浓度的TTVP就能够快速杀死癌细胞（图3）。

图3：癌细胞的光动力治疗

如图4所示，通过瘤内注射，TTVP能够高效地“点亮”小鼠肿瘤，而且具有良好的滞留能力。H＆E 染色（苏木精-伊红染色）表明，TTVP对小鼠的主要器官没有明显的损伤，体现出优异的生物兼容性。

图4：小鼠肿瘤成像

本工作报道了第一例水溶性、近红外发光的AIE分子，该分子在生物成像和光动力治疗中展示出了优异特性。此研究为开发性能高效、能够用于实际生物应用的荧光分子提供了新的思路，将会促进新型AIE诊疗材料的开发。


这一成果近期发表在《Chemical Science》上，文章的第一作者为香港科技大学王东博士，苏慧芳博士和胡祥龙博士为生物实验部分提供了帮助，本文的通讯作者为唐本忠院士。
文章作者:
Dong Wang, Huifang Su, Ryan T. K. Kwok, Xianglong Hu, Hang Zou, Qianxin Luo, Michelle M. S. Lee, Wenhan Xu, Jacky W. Y. Lam and Ben Zhong Tang
文章题目：
Rational design of a water-soluble NIR AIEgen, and its application in ultrafast wash-free cellular imaging and photodynamic cancer cell ablation
文章链接：
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c7sc04963c#!divAbstract
DOI: 10.1039/c7sc04963c