具有聚集诱导发光性质的近红外荧光染料

任飞; 石建兵; 佟斌; 蔡政旭; 董宇平

doi:10.7536/PC200614

化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (3) :341-354 DOI: 10.7536/PC200614

综述

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具有聚集诱导发光性质的近红外荧光染料

任飞 ¹ ,
石建兵 ¹^,^* ,
佟斌 ¹ ,
蔡政旭 ¹ ,
董宇平 ¹^,^*

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Near Infrared Fluorescent Dyes with Aggregation-Induced Emission

Fei Ren ¹ ,
Jianbing Shi ¹^,^* ,
Bin Tong ¹ ,
Zhengxu Cai ¹ ,
Yuping Dong ¹^,^*

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摘要

聚集诱导发光(AIE)现象的发现为解决传统有机荧光分子在高浓度和聚集形态下存在的荧光猝灭问题提供了最佳方案,并实现了在光电器件、化学传感、生物成像和靶向治疗等众多领域的广泛应用。随着对AIE发光机理研究的不断深入,AIE分子体系得到了极大的扩展。其中,一类具有给体-受体结构的AIE分子能够显著降低分子能隙,使发光分子波长从可见光区(400~700 nm)延伸到近红外(NIR)区(700~1700 nm)。由于NIR发光分子在生物医学领域中的独特优势,其已成为目前AIE研究的热点。随着对NIR分子设计及应用的不断探索,附加不同功能且发光波长更长的AIE分子也被开发出来了,并实现了对生物体特定组织的NIR荧光成像、光声成像、光动力治疗和光热治疗等。本文总结了近年来具有AIE性能的NIR荧光分子的结构及其在生物医学领域的相关应用。

Abstract

The discovery of the aggregation-induced emission(AIE) phenomenon provides the best solution to solve the problem of fluorescence quenching of traditional organic fluorescent molecules at high concentrations and aggregation state. AIE molecules are widely used in many fields such as photoelectric devices, chemical sensing, biological imaging and targeting therapy. With the deepening of the research on the emissive mechanism of AIE, the AIE molecular system has been greatly expanded. Among them, a class of AIE molecules with donor-acceptor structures can significantly reduce the molecular energy gap and extend the emission wavelengths of molecules from the visible light region(400~700 nm) to the near infrared(NIR) region(700~1700 nm). Due to the unique advantages of NIR fluorescent molecules in the field of biomedicine, they have become the hot topic of AIE research. With the continuous exploration of the design and application of NIR molecules, AIE molecules with different functions and longer emission wavelengths have also been developed, and realized the application of NIR fluorescence imaging, photoacoustic imaging, photodynamic therapy and photothermal therapy to specific tissues of organisms. This article summarizes the structure of NIR fluorescent molecules with AIE performance in recent years and their related applications in the field of biomedicine.

Contents

1 Introduction

2 The discovery and mechanism of aggregation-induced emission

3 the advantages of NIR and The partition of fluorescent windows

4 Principle of molecular design of NIR dyes

5 NIR fluorescent dyes with AIE property and their applications

5.1 Design and application of benzothiadiazole NIR dyes

5.2 Design and application of malononitrile NIR dyes

5.3 Design and application of ionic NIR dyes

6 Conclusion

Graphical abstract

关键词

聚集诱导发光 / 给体-受体 / 近红外 / 光声成像 / 光动力治疗 / 光热治疗

Key words

aggregation-induced emission(AIE) / donor-acceptor(D-A) / near infrared(NIR) / photoacoustic imaging(PAI) / photodynamic therapy(PDT) / photothermal therapy(PTT)

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任飞, 石建兵, 佟斌, 蔡政旭, 董宇平. 具有聚集诱导发光性质的近红外荧光染料[J]. 化学进展, 2021, 33(3): 341-354 DOI:10.7536/PC200614

Fei Ren, Jianbing Shi, Bin Tong, Zhengxu Cai, Yuping Dong. Near Infrared Fluorescent Dyes with Aggregation-Induced Emission[J]. Progress in Chemistry, 2021, 33(3): 341-354 DOI:10.7536/PC200614

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1 引言

2001年,香港科技大学唐本忠发现了聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)现象并研究了AIE机理^[1]。AIE概念为解决传统染料聚集而导致荧光猝灭问题提供了全新的方案,AIE分子由于其优异的发光性能引起了众多科研工作者的广泛关注。随着AIE领域的不断发展,众多AIE体系被相继开发出来,如六苯基噻咯(HPS)体系^[2]、四苯基乙烯(TPE)体系^[3]、多芳基丁二烯体系^[4]、多芳基吡咯体系^[5]、9,10-二((E)-苯乙烯基)蒽(DSA)体系^[6]等。

随着AIE研究的不断深入,不但对发光机理有了更深入的理解,而且新型的AIE分子开发也取得了很大的进展。从烃类化合物到杂原子化合物,从小分子到大分子,从有机物到无机物或金属有机物,各种类型的AIE分子都在不断扩充^[7,8]。AIE分子不仅仅局限于新分子数目的增长,其作为具有良好热稳定性和光稳定性的高效固态发光材料实现了在化学传感、生物传感、高性能光电器件等领域的广泛应用^[9]。AIE材料在生物医学方面的优势尤为明显,荧光技术提供了直接的可视化工具,可在分子水平上对分析物进行实时和非侵入性的监测,并提供了复杂生物结构的重要信息^[10,11]。

在AIE分子体系拓展过程中,有一类具有红光或近红外(Near Infrared,NIR)荧光发射的分子,由于其具有组织穿透能力强、背景光干扰小、对生物组织无光损伤等优点而成为目前研究的热点。尽管NIR的各个波段划分还没有形成统一的定义,但根据在生物组织上的应用窗口一般把700~900 nm的波长认为是近红外一区(NIR-Ⅰ),1000~1700 nm波长为近红外二区(NIR-Ⅱ)^[12,13]。近年来,随着对NIR研究领域的深入和应用领域的不断扩大,NIR发光材料不仅被广泛应用于有机光电领域,如量子点、有机太阳能电池、光通讯、信息加密显示及有机发光二极管等^{[14⇓⇓~17]},还在生命科学领域,如生物体酶的检测、生物荧光成像、靶向治疗等领域均有着重要的应用潜力^[18,19]。本文结合最新的研究进展,主要总结了具有AIE性质的NIR发光分子设计以及相关应用。

2 聚集诱导发光的发现及机理简介

在发光研究领域存在一种常见的光物理现象:传统有机荧光分子多以平面的芳香多环结构存在,其在聚集态下分子之间的π-π堆积相互作用促使激发态能量以非辐射的方式耗散,从而导致荧光猝灭,通常称为聚集导致荧光猝灭(ACQ)^[9]。2001年,唐本忠等发现了与ACQ截然相反的光物理现象,即AIE现象。这一现象的发现解决了传统荧光分子在实际应用中由于聚集而导致荧光猝灭的问题,使得弱发光效率的发色团通过形成聚集体而被有效地增强。因此,具有AIE性能的分子在荧光检测、荧光成像及光电器件等领域展现出巨大的应用价值。

AIE概念提出之后,许多研究小组都在积极地探究AIE现象背后的发光机理。随着AIE分子的丰富,通过调控其形态结构及相关应用的探索为AIE机理的研究提供了实验数据的支撑。针对不同AIE分子体系的研究,研究者们提出了几种较为成熟的AIE发光机理。如唐本忠等通过一类具有典型的螺旋桨结构的分子(HPS、TPE等)在不同溶剂体系、温度和黏度的影响下发光强度的差异,提出了分子内旋转受限(RIR)机理^[7],该机理适用于大部分的AIE体系。随着研究的深入,科研工作者们发现一类并不具备多转子的分子也表现出典型的AIE性能。尽管这类分子没有可旋转的基团,但在单分子态下分子振动会消耗激发态能量而猝灭荧光;而在聚集态下,分子振动受到限制,扭曲的分子构型避免了分子间的π-π堆积使其表现出典型的AIE性能,分子内振动受限(RIV)机理的提出合理解释了此类分子的发光现象。RIR和RIV两种发光机理统称为分子运动受限(RIM)机理^[20]。此外,聚集态下分子的堆积状态对其AIE性能也产生了较大的影响,传统的荧光分子由于平面结构和分子间的π-π相互作用,使得分子以面-面的方式平行堆积而形成H-聚集体导致荧光猝灭。将平行堆积的分子沿长轴方向平移,当平移距离够长,分子间实现错位平行堆积而形成J-聚集体,避免了分子间的π-π堆积,有利于聚集体的发光。另外,扭曲的分子内电荷转移(TICT)^[21,22]和激发态的分子内质子转移(ESIPT)过程^[23,24]也有利于聚集体增强荧光。2019年,唐本忠等针对一些含杂原子的AIE分子提出了“暗态通道受限(RADS)”机理,补充完善了RIM机理的内涵^[25]。AIE机理的深入阐述为开发不同功能性的AIE分子体系奠定了理论基础。

3 NIR的优势及发光窗口分区

荧光成像可以实时采集具有高信噪比和高时空分辨率的宽视场图像。但是,荧光成像也存在检测物自发荧光干扰、聚集猝灭、光漂白和弱的组织穿透能力等问题。与可见光区域(400~700 nm)的荧光成像相比,NIR窗口(700~1700 nm)的荧光成像在减少光子散射、降低生物组织吸收和自发荧光的干扰方面具有显著优势。如图1所示,与紫外和可见光相比NIR荧光具有更深的组织穿透能力(图1a),且在光源激发下NIR荧光染料能够显著降低组织的光散射,可实现高分辨率和高信噪比的荧光成像(图1b)。NIR范围内生物医学荧光成像技术的进展集中在第一个NIR窗口(NIR-Ⅰ,700~900 nm)上,目前已经扩展到了第二个NIR窗口(NIR-Ⅱ,1000~1700 nm)。在NIR-Ⅰ窗口下体内的组织吸收和背景荧光较低,传统上将其定义为“生物透明度NIR窗口”。NIR-Ⅱ窗口用于体内成像显示出更高的灵敏度和分辨率^[12]。较小的光学窗口,例如NIR-Ⅱa(1300~1400 nm)和NIR-Ⅱb(1400~1700 nm)在荧光成像效果上提供了进一步的改进^[13]。

具有AIE性能的NIR荧光材料除了具有上述的应用优势以外,还能够很好地克服传统荧光材料在生物体内聚集导致荧光猝灭的缺陷。具有靶向性的AIE探针能够在生物体的特定部位实现聚集成像,有效避免了自身荧光的干扰。另外,AIE荧光探针以聚集态的形式存在,使得荧光分子与外界环境隔离,避免了在光照条件下与外界物质发生化学光漂白作用,表现出优异的抗光漂白性能。其中,一些功能性的AIE染料,在分子诊断和治疗应用中显示出了巨大潜力^[26,27]。

4 NIR染料分子的化学结构设计

将适当的能量赋予分子,则电子可以从占据的低能量分子轨道跃迁到空的高能量分子轨道,从而产生与光谱中的吸收带相对应的跃迁。对于荧光分子,电子从激发态通过光子的辐射跃迁返回基态而发出荧光。最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)之间存在的能量差,称为HOMO-LUMO能隙,该能隙与分子的吸收和发射波长密切相关。对于低能隙的荧光分子,吸收光谱和发射光谱的最大波长会在较长波长区^[28]。

有机NIR荧光染料通常具有两类结构:一类是具有大平面结构的π-共轭体系,如吡咯并吡咯二酮类(DPP)^[29]、吲哚菁绿类(ICG)^[30]、硼二吡咯亚甲基类(BODIPY)衍生物^[31]等,这类分子具有平面共轭结构,在聚集态下分子间的π-π堆积会导致荧光猝灭,表现出ACQ现象,或者多烯类分子结构在光照条件下迅速与环境中的单线态氧发生化学反应而猝灭荧光,总体上表现出较差的光稳定性^[32,33];另一类为具有强的电子给体(D)-受体(A)结构的分子,如设计NIR荧光染料常用的电子给体四苯基丁二烯、三苯胺、咔唑和吡咯类等与受体基团相连形成D-A结构^[34]。这种D-A作用的分子结构不仅能够大大降低HOMO与LUMO之间的能隙使得分子吸收和发射光谱红移,同时扭曲的分子构型也保证了其AIE性能。以下主要总结具有AIE性质的NIR荧光染料的结构设计及其在生物医学领域的应用等相关进展。

5 具有AIE性质的NIR荧光染料及其应用

5.1 苯并噻二唑类NIR染料的设计及应用

苯并噻二唑(BBT)类化合物由于强的缺电子性能,是设计NIR荧光染料常用的电子受体。BBT分子具有两处易于反应的位点,所设计的NIR荧光分子宜采用D-A-D的分子构型。D-A-D结构具有很强的分子内电荷转移作用(ICT),能够显著降低分子能隙使其发光处于NIR区。基于BBT开发的NIR分子在结构设计上大同小异,通过调节给体结构和延长分子的共轭长度来设计性能各异的荧光探针。如Liu等采用双苯并噻二唑(BBTD)作为受体,以四苯基乙烯衍生物为给体,设计了一种新型NIR-Ⅱ荧光分子TB1(图2a)。

TB1分子表现出典型的AIE性能,最大发射波长能够达到1000 nm(图2c),且在740 nm处具有高的消光系数(10.2 L·g^-1·cm^-1)。通过纳米沉积法制备的AIE纳米粒子(图2e)表现出高的荧光量子产率(6.2%),被用于小鼠的原位脑肿瘤成像(图2f)。用c-RGD进一步修饰制备的靶向AIE纳米粒子,能够特异性地被肿瘤摄取。这项研究表明了NIR-Ⅱ区的AIE纳米粒子在精确脑癌诊断领域的潜在应用价值^[35]。

Hong等在TPE上引入两个N,N-二乙基胺基团作为电子给体,给体与BBTD之间连接3,4-乙烯二氧噻吩作为电子桥来延长分子的共轭长度,合成了一种能隙更低的NIR-Ⅱ的荧光染料HLZ-BTED(图3a)。该化合物表现出典型的AIE性能,最大荧光发射波长超过1000 nm(图3b)。利用DSPE-mPEG包覆的HLZ-BTED纳米粒子,具有良好的水溶性和生物相容性,可用于体内NIR-Ⅱ生物医学成像。该纳米粒子具有良好的被动靶向性和稳定的NIR-Ⅱ荧光成像性能。HLZ-BTED纳米粒子作为NIR-Ⅱ成像造影剂,对肿瘤供血血管提供高的时空分辨率(图3c),可精确监测后肢不完全缺血和长距离缺血的闭塞部位^[36]。

Xiao等以三苯胺作为电子给体通过噻吩基团与BBTD受体相连,设计合成了具有NIR-Ⅱ发光的分子HQL2(图4a),其荧光发射尾部能够延伸到NIR-Ⅱa和NIR-Ⅱb区(图4b)。纳米沉积法制备的NIR-Ⅱ AIE纳米粒子表现出较好的水溶性、生物相容性和高量子产率(QY=1.19%),在808 nm光源激发下能够实现小鼠体内NIR-Ⅱa和NIR-Ⅱb的肿瘤血管成像(图4c和d)^[37]。

基于上述工作,Xiao等通过引入不同的供体和扭曲基团设计合成了一系列NIR-Ⅱ荧光分子HL1-HL3(图5a)。其中HL3分子具有高度扭曲的D-A结构,表现出典型的AIE性质。通过纳米沉积法制备的HL3纳米粒子表现出优异的水溶性、光稳定性和生物相容性,且在水溶液中表现出超高的量子产率,即NIR-Ⅱ(>1000 nm)和NIR-Ⅱb(>1550 nm)区域的量子产率分别为11.7%和0.05%。在小鼠脑血管和淋巴引流系统中获得了高质量的NIR-Ⅱb(1550 nm以上)成像照片(图5b~g)^[38]。

Tang等采用三苯胺基团作为电子给体、噻吩桥作为电子传输通道制备NIR-Ⅱ发光的AIE分子2TT-oC6B,并利用纳米沉积法制备AIE纳米粒子(图6a)。该AIE纳米粒子被应用于小鼠的输尿管NIR-Ⅱ荧光成像且具有高的空间分辨率、深的组织穿透力、低的光散射和弱的组织自发荧光的特点,能够及时准确地发现手术中输尿管损伤和常见的输尿管疾病(图6c)。该粒子在NIR-Ⅱ发光区具有高的量子产率(11%),在光强和穿透深度方面大大优于商用吲哚菁绿染料(图6d)^[39]。

Sun等将二苯胺基团与芴相连制备电子给体,通过3,4-亚乙基二氧噻吩桥与BBTD相连,设计了一种具有多功能性DD-A-DD结构的荧光分子(SYL)(图7a)。将其掺入DSPE-mPEG5000中来构建生物相容性的NIR-Ⅱ 荧光纳米探针。小鼠体内实验表明,SYL纳米粒子在肿瘤区域表现出强的NIR-Ⅱ 荧光和PA信号,并表现出高的信噪比(图7b)。同时,SYL纳米粒子在808 nm光源激发能够显著抑制肿瘤生长。实验结果表明SYL纳米粒子在癌症诊断(NIR-Ⅱ成像领域)和治疗方面具有潜在的应用价值^[40]。

最近,Liu等以苯并噻二唑衍生物TQ为电子受体设计合成了具有AIE性质的NIR-Ⅱ光激活光敏剂TQ-BTPE。TQ-BTPE在NIR-Ⅱ激光激发后表现出良好的双光子吸收和明亮的NIR-Ⅰ荧光发射。在水性介质中,TQ-BTPE在白光照射下具有高效的ROS生成效率。利用NIR-Ⅱ光源激发具有超强的组织穿透能力,使其具有更强的双光子光敏作用和更好的癌细胞消融性能,展现了NIR-Ⅱ光激发光敏剂用于深层组织光动力治疗的广阔前景(图8)^[41]。

目前,苯并噻二唑类受体是开发NIR荧光染料最常用且最有效的受体之一,通过微调其结构,继续提高发光分子的发射波长以及发光量子产率,以期获得超高信噪比的荧光图像。另外,使用该类受体开发具有多功能性的光敏剂,实现生物领域的多模态成像或治疗。在已有的NIR染料分子上修饰靶向基团,实现单分子光敏剂的靶向识别与定位,在特定生物组织内的精准成像和诊疗一体化是极具挑战性的工作。

5.2 丙二腈类NIR染料的设计及应用

丙二腈分子中氰基(CN)的C与N原子以sp杂化,具有很强的缺电子性,从而活化了与两个氰基相连的亚甲基上的氢。以活化氢作为反应位点可以衍生出多种强电子受体基团,如2-二氰基亚甲基-3-氰基-4,5,5-三甲基-2,5-二氢呋喃(TCF)^[42,43]、2-(3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-1-基)丙二腈^[44,45]、2,2'-(1H-茚-1,3(2H)-二亚烷基)二甲基腈^[45]和喹啉丙二腈类(QM)^[46]等,这些基团可以用来设计高效率的光电器件和NIR生物荧光材料^[47]。Zhu等基于丙二腈开发了新型的受体QM,并合成了一系列具有NIR荧光发射的AIE分子^[46],如图9a所示,QM-1、QM-2、QM-3、QM-4和QM-5都是具有AIE性质的NIR荧光分子。通过调控良溶剂与不良溶剂的比例能够很好地控制分子的自组装形态(从棒状到球形),这些形态规则的纳米粒子具有很好的生物相容性,可用于肿瘤靶向的NIR荧光成像。荷瘤小鼠在注射QM-5(0.15 mg/kg)后的无创伤成像(图9b)和注射24 h后的3D荧光成像(图9c)进一步证实了NIR荧光分子在肿瘤中的蓄积^[48]。

随后,Zhu等通过结构设计,在受体基团上引入亲水性的磺酸盐基团,且在给体和受体之间引入π-共轭的噻吩桥成功制备了具有AIE性能的NIR水溶性荧光探针(图10a~c)。在与淀粉样蛋白-β斑块结合之前,能够消除商业染料ThT的自猝灭失真信号和AIE探针初始聚集导致的“假阳性”信号,表现出超高分辨率的成像效果(图10d~g)。该探针表现出高信噪比、强的组织亲和力、血脑屏障渗透性等优点(图10h和i),实现了对体内淀粉样蛋白-β斑块精准和灵敏的检测^[49]。

Tang等以丙二腈基团为受体开发了一种在NIR区具有强吸收能力的荧光探针TFM(图11a)。该化合物具有转子状的扭曲结构且表现出典型的AIE性能。TFM聚集体中分子以无定形方式松散堆积,有效的分子内运动提高了热失活途径的能量耗散。利用纳米沉积法制备的TFM纳米颗粒(图11b)表现出高的光热转换效率(51.2%)和活性氧(ROS)生成效率,能够实现对小鼠体内EMT-6肿瘤的光声成像和PDT(图11c)^[50]。

Ding等以QM为受体设计合成了一种具有AIE性质的NIR荧光探针(图12a)。该分子与一种化学发光的分子共同组装成具有NIR余辉发光的纳米粒子AGL AIE dots(图12b)。通过在纳米粒子中的系列化学反应或物理作用,如AIE分子产生单线态氧,二氧杂环丁烷形成及分解产生化学激发能向AIE分子的能量转移等,使得AGL AIE dots具有强的NIR余辉发光。一次激发光激发后可以通过二氧杂环丁烷分解进行化学激发将能量转移至AIE分子,持续10 d仍保持余辉。将AGL AIE dots静脉注射到腹膜癌小鼠体内后,AGL AIE dots在肝脏、脾脏和肾脏等正常组织中具有快速猝灭的特性,使得肿瘤与肝脏的余辉信号比率比荧光成像的要高100倍。AGL AIE dots在精确图像引导的癌症手术中具有超高的肿瘤与肝脏信号比和低的余辉背景信号(图12c)^[51]。

Liu等以丙二腈为受体、三苯胺为电子给体设计了一种NIR发光的AIE荧光探针TPACN(图13a)。将该探针与D-丙氨酸(D-Ala)相结合形成细胞代谢探针TPACN-D-Ala;在复杂的生物环境中TPACN-D-Ala探针表现出低荧光信号和强的ROS生成能力(图13d)。TPACN-D-Ala表现出优异的水溶性,在生理条件下的尺寸非常小(0.5 nm),易于扩散到细菌中并参与肽聚糖的生物合成以形成肽聚糖-TPACN,使AIE分子结合到细菌壁中实现靶向荧光成像(图13b)。与传统的两步标记方法相比,该荧光探针更适用于生物活体内细菌标记。更为重要的是,TPACN-D-Ala可以实现藏匿在宿主细胞内或生物膜中的细菌智能识别,并通过PDT作用对其进行有效消杀,是非抗生素策略的活体内细菌杀伤方法^[52]。

Xu等采用2-(4H-吡喃-4-亚烷基)丙二腈为受体基团,TPA-TPE为电子给体设计合成了D-π-A-π-D结构的光敏剂TTD(图14),该分子具有NIR发光和典型的AIE性能。随后,他们利用两亲性聚合物DSPE-PEG2000-MAL将AIE分子TTD、上转换纳米粒子UCNPs和环肽cRGD三个组分组装成纳米粒子UCNP@TTD-cRGD NP。该纳米粒子具有较高的光稳定性,在30 d后其荧光强度仍保持在70%以上。在NIR光激发下,即使覆盖了6 mm厚的组织,仍然可以检测到大量的ROS生成。UCNP@TTD-cRGD NPs可以特异性靶向过表达α_vβ₃整合素细胞(MDA-MB-231),并选择性杀死这些细胞。在NIR光源照射下,静脉注射UCNP@TTD-cRGD NPs可以靶向点亮小鼠体内的肿瘤细胞并实现PDT的治疗效果^[53]。

5.3 离子盐类NIR染料的设计及应用

具有AIE性能的NIR荧光探针被广泛应用到生物成像和靶向治疗领域,然而,生物体的水相环境导致有机荧光分子与目标应用环境的相容性很差,对探针的靶向成像和治疗效果会造成一定的影响。常用的解决方式是通过两亲聚合物与AIE分子组装成纳米粒子,通过被动靶向的形式在生物特定部位聚集发挥作用。然而,经过聚合物包覆的AIE分子已经被固定在聚集态下,大大降低了荧光探针在聚集过程中体现出来的AIE特性。离子盐类是缺电子性能的基团且具有很好的水溶性,是设计水溶性或两亲性的NIR荧光染料的理想受体。另外,有些离子盐基团(如吲哚盐类、吡啶盐类)对特定生物细胞器有一定的靶向作用。因此,将离子盐类基团引入到AIE体系中不仅能够增加荧光探针的生物相容性,还能够提高分子的靶向性。本课题组采用吲哚盐为电子受体、以三苯基吡咯衍生物^[43]为给体开发了一类NIR荧光染料(TPP-1、TPP-2、TPP-3)(图15a),其均表现出典型的AIE性质,且可实现对不同细胞线粒体的免洗成像。其中,TPP-2分子在不到10 s的时间内将各种活细胞中的线粒体着色,整个过程可以充分利用荧光分子在线粒体上聚集特点来跟踪信号的开启(图15b)。此外,该类染料在长时间的激发光源光照射下表现出优异的光稳定性^[54]。

Wang等基于吲哚盐为电子受体设计合成了一种D-π-A结构的AIE荧光探针MTi(图16a)。MTi可以通过吲哚阳离子特定靶向到线粒体,并且D-π-A共轭结构可以有效生成ROS。以聚多巴胺(PDA)为载体构建的NIR纳米粒子(PMTi)能够显著增强治疗效果并提高荧光探针在水相中的稳定性。PMTi具有良好的PDT和PTT效应,可诱导癌细胞凋亡并抑制肿瘤生长(图16b)。PMTi的AIE特性使其在肿瘤部位保持长时间的荧光成像且对器官的生理功能没有明显的毒性^[55]。

Ding等基于吡啶盐基团设计合成了NIR的荧光染料TPE-DPA-TcyP(图17a)。该AIE荧光探针能够特异性诱导癌细胞中线粒体的氧化应激作用以杀死免疫原性细胞,是一种免疫原性细胞死亡(ICD)的诱导剂。实验证实这种线粒体靶向的ICD诱导剂效果要明显优于商用的Ce6、PPa和奥沙利铂。TPEDPA-TCyP在诱导抗肿瘤免疫和免疫记忆效应方面具有更好的有效性和鲁棒性。免疫细胞分析证明了该探针作用的潜在机制,即同时触发先天性和适应性免疫系统(图17b)。这项研究首次揭示了线粒体氧化应激与ICD之间的关系^[56]。

Tang等以吡啶盐为受体设计合成了一种具有AIE性能的远红外/NIR发射的荧光分子MeTTPy(图18a和b),该AIE分子具有简单的化学结构、优异的光稳定性、大的斯托克斯位移、较高的量子效率以及良好的生物相容性等优势。同时,该分子具有超高的ROS生成效率(90.7%),在无额外靶向配体的条件下能够特定地消融正常细胞上的癌细胞。使用超低功率灯(18 mW·cm^-2)照射,能够实现靶向肿瘤的光动力治疗效果并对生物体健康无明显影响(图18c和d)^[57]。

随后,Tang等将上述工作中的噻吩替换为呋喃基团作为给体-受体之间的π-共轭桥合成了三种吡啶盐类衍生物(TFPy、TFVP、TPE-TFPy)。这三种分子分别特异性靶向三个关键的亚细胞器,即线粒体、细胞膜和溶酶体(图19a)。所有AIE分子在远红/NIR区域均表现出强的荧光发射性能,并且具有高的ROS生成效率。体外和体内PDT评估表明,在相同的总浓度下,三种AIE分子的联合治疗能够产生比单一AIE分子更好的治疗效果,实现“1+1+1>3”的协同光动力疗法(图19b)^[58]。

Tang等也采用亲水性的吡啶盐和疏水性的三苯胺组成两亲性的二苯乙烯衍生物(AS2CP-TPA)(图20a),该探针可在不同情况下对细胞膜着色并监测膜的形态。受强的D-A相互作用和AIE特性的影响,AS2CP-TPA在水溶液中发光较弱,但在460 nm的激发波长下能够在HeLa细胞的质膜上聚集并产生NIR发光。AS2CP-TPA能够对质膜特异性染色且具有强的光稳定性,能够长期监测Hg²⁺和胰蛋白酶治疗过程中细胞膜的形态变化(图20b~d)^[59]。

同时,唐本忠等以三苯胺为电子给体、噻吩环为电子传输桥、吡啶盐为电子受体设计合成了具有AIE特性的水溶性NIR发光的荧光探针TTVP。TTVP能够在仅3 s的孵育时间后通过免洗程序选择性地靶向革兰氏阳性细菌。而且TTVP具有极高的活性氧生成效率,具有优异的光动力抗菌治疗性能(图21)^[60]。

6 结论

自从2001年AIE现象发现至今,不同功能性的AIE分子家族在不断壮大,应用领域在不断扩展。在生物应用领域中,目前所开发的具有AIE性质的NIR荧光探针多集中在NIR-Ⅰ区(700~900 nm),而NIR-Ⅱ区(1000~1700 nm)的荧光探针具有更灵敏、分辨率更高且生物组织穿透更深等优势,在临床医学中具有潜在的应用价值。因此,在未来开发多功能性的NIR-Ⅱ荧光探针将成为NIR染料研究的重点。因此,设计具有AIE性质的NIR-Ⅱ荧光探针,将会成为AIE染料的研究热点。目前,设计具有AIE性能的NIR-Ⅱ荧光染料所用的受体基团比较单一,多为双苯并噻二唑结构。因此,开发新型的受体基团是扩展NIR-Ⅱ染料种类的关键。另外,所设计的NIR分子在生物应用中均利用两性聚合物包覆的方式制备纳米粒子,一方面增加了分子的生物相容性,另一方面形成大小均一的纳米颗粒更容易被细胞摄取。然而,纳米粒子在生物体中通过肿瘤的高通透性和滞留(EPR)效应被动靶向到特定部位以实现成像和治疗的目的,材料利用率较低,且副作用的风险增加。因此,设计具有AIE性质的单分子靶向性与生物相容性好的NIR-Ⅱ荧光探针,将是未来的研究挑战。另外,目前NIR荧光染料的研究主要集中在基础研究,对于临床医学应用还有很长的路要走。因此,NIR染料在临床医学应用前的动物模型评估、毒理学、药代动力学等研究对于临床应用尤为重要。总之,AIE性质的NIR染料研发与应用探索将会开辟其在生物荧光成像、光声成像、光热治疗和光动力治疗等众多领域的崭新道路。

参考文献

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