唐本忠院士团队 AFM报道: 水溶性AIE探针用于缺氧检测的新策略

【背景介绍】

肿瘤的早期诊断对于提高癌症治疗的成功率和患者的生存率至关重要。对早期肿瘤进行灵敏准确的无创成像，将有助于外科医生采取及时有效的预防和治疗措施。不同于人体正常组织，肿瘤疯狂生长消耗的氧气大大超过了其血管供给能力，从而导致肿瘤微环境处于缺氧状态。因此，通过对这一缺氧性质的检测可以实现对早期形成的或者转移性肿瘤进行精确成像。其中，开发低氧响应性的化学荧光探针被认为是一种很有前景的实现肿瘤早期检测的方法。具有聚集诱导发光特性的荧光分子（AIEgens）是一类外形为螺旋桨状的分子，AIEgens在聚集体或固态中具有强的荧光，而在溶液状态下的荧光强度大大减弱。基于AIE特性设计的荧光探针目前已经被多个课题组报道，AIE分子良好的生物相容性，较好的水溶性和独特的荧光点亮机制使其近年来成为分析化学领域的一个重要分支。

【成果简介】

近日，香港滚球体育 大学的唐本忠院士（通讯作者）课题组报道了一种基于氧化还原反应的用于缺氧成像的AIE探针。由于氮氧基团的两性离子性质，所设计的四苯基乙烯（TPE）氮氧化物具有良好的水溶性。这类分子展现出聚集诱导发光特性，由于分子转子的剧烈运动，它们在水溶液中并不发光。分子的电中性和水合作用也进一步避免了其在生物环境中与带电性物质（尤其是蛋白）发生静电相互作用产生背景荧光信号。所合成的三种氮氧化物可以被亚铁离子还原同时完成从亲水到疏水的转换，由此产生的疏水性聚集体限制了分子内运动，从而开启了它们的荧光。在缺氧条件下，细胞还原酶（CYP450）可以选择性地切断TPE-2E氮氧化物中的N-O键，从而实现点亮型的缺氧成像。总之，该缺氧成像的新策略在肿瘤早期诊断中具有很高的应用价值。研究成果以题为“A New Strategy toward “Simple” Water-Soluble AIE Probes for Hypoxia Detection”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。
本文的第一作者为香港滚球体育 大学化学系的博士生徐昌活和南方医科大学的邹航博士。

【图文解读】

图一、氮氧化物的设计与合成
（A）氮氧化物的合成路线；

（B）TPE-2M和TPE-2M氮氧化物的¹H NMR光谱；

（C）TPE-2M氮氧化物的单晶结构。

图二、氮氧化物的光物理性质
（A-C）TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物在不同二氯甲烷/正己烷混合物中的PL光谱；

（D）三种氮氧化物相对荧光强度（I/I₀）与正己烷含量的关系图；

（E）TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物在二氯甲烷中的吸收光谱；

（F）在日光（顶部）和紫外光（底部）下拍摄的固态TPE-2E和TPE-2E氮氧化物的照片。

图三、对亚铁离子的荧光响应
（A）加入100×10^-6M (NH₄)₂Fe(SO₄)₂后，TPE-2M2F氮氧化物的PL随时间的变化；

（B）加入亚铁离子后，TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物的荧光变化动力学曲线；

（C）在不同亚铁离子浓度下,TPE-2E氮氧化物的荧光变化动力学曲线；

（D）氮氧化物还原和TMB氧化过程的示意图；

（E）加入2×10^-3M (NH₄)₂Fe(SO₄)₂和200×10^-6M TMB或者单独加入200×10^-6M TMB孵育后，200×10^-6M TPE-2M2F 氮氧化物的吸光度变化；

（F）加入200×10^-6M TMB和2×10^-3M (NH₄)₂Fe(SO₄)₂共孵育的TPE-2M 氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物在652 nm处的吸光度变化动力学曲线。

图四、TPE-2E氮氧化物的还原产物分析
（A）加入20×10^-3M (NH₄)₂Fe(SO₄)₂后，亲水性的TPE-2E氮氧化物转化为疏水性的TPE-2E；

（B）加入20×10^-3M的(NH₄)₂Fe(SO₄)₂前后，分散在水中的TPE-2E氮氧化物及其还原产物的尺寸分布；

（C）加入20×10^-3M (NH₄)₂Fe(SO₄)₂前后，2×10^-3M TPE-2E氮氧化物水溶液及其还原产物的荧光图片。

图五、体外缺氧成像
TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物在HeLa细胞中不同氧气条件下的荧光图像。

图六、二苯基氯化碘盐（DPI）对CYP450还原酶的抑制实验
在低氧条件下，用TPE-2E氮氧化物和不同DPI浓度孵育3 h的HeLa细胞的荧光图像。

图七、与尼罗红的共染实验
在低氧条件下，HeLa细胞与TPE-2E氮氧化物和尼罗红共孵育的激光共聚焦图像。

【总结】

综上所述，作者提出了一种全新的策略用于设计水溶性探针进而实现低氧荧光成像。首先，本文以一条简单的合成路线获得了TPE-2M氮氧化物、TPE-2E氮氧化物和TPE-2M2F氮氧化物三种探针分子。具有AIE活性的TPE基团与两性氮氧官能团的结合使这些氮氧化物在溶液状态下不发光。加入Fe²⁺后，由于取代基的不同，这类氮氧化物呈现不同速率的荧光响应。通过细胞成像研究，作者发现TPE-2E氮氧化物在HeLa细胞中表现出随氧气浓度降低荧光点亮且不断增强的行为。疏水的TPE-2E氮氧化物还原产物选择性地聚集在脂滴中。由于TPE氮氧化物的优异性能，该工作为设计和合成基于AIEgens的诊断体系提供了一种新的途径。

文献链接：A New Strategy toward “Simple” Water‐Soluble AIE Probes for Hypoxia Detection（Adv. Funct. Mater.,2019, DOI:10.1002/adfm.201903278）

通讯作者简介

唐本忠院士是香港滚球体育 大学化学系讲座教授和张鉴泉理学教授，并兼任香港滚球体育 大学工学院化学及生物工程学系讲座教授。2009年当选中国科学院院士。2012年至今担任华南理工大学-香港滚球体育 大学联合实验室主任。2012年起受聘为华南理工大学双聘院士。2013年入选英国皇家化学会Fellow，2015年担任国家人体组织功能重建工程技术研究中心香港分中心主任，2017年起受聘为华南理工大学-香港滚球体育 大学联合研究院院长。目前已发表学术论文1500多篇，总引约80000次，h因子为134。在学术会议上作了400多场邀请报告，拥有50多项专利。现任ACS新闻周刊Noteworthy Chemistry专栏科学新闻撰稿人，Materials Chemistry Frontier (RSC)主编，英国皇家化学学会（RSC）高分子化学丛书主编，Polymer Chemistry（RSC）和Progress in Chemistry杂志副主编，以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑等。

研究领域：

唐本忠院士团队主要从事高分子化学和先进功能材料研究。2001年，唐本忠院士首次提出“聚集诱导发光”（aggregation-induced emission, AIE）概念，并自此发展出一系列具有AIE性质的发光团（AIEgens），开辟了发光材料的新领域。由于这类分子“溶解不发光、聚集才发光”的特点，其既能克服绝大多数传统荧光染料聚集后荧光淬灭的问题，又具有固态量子产率高、光稳定性好、背景荧光弱、斯托克斯位移大等优点，吸引着来自全球的研究兴趣，已广泛应用于化学检测、生物成像、环境监测、医学诊断治疗及发光器件等诸多领域，成为近十几年来的研究热点。2016年，AIE纳米粒子被《Nature》列为支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料之一，并是唯一一种由中国科学家原创的新材料。

成果简介：

由于在聚集诱导发光这个领域取得了一系列原创性成果，唐本忠院士先后获得多项荣誉及奖励，于2002年获得由国家自然科学基金授予的“杰出青年学者”（B类，海外华裔科学家）称号，2007年获国家自然科学二等奖、Croucher基金会高级研究员奖、中国化学会王葆仁奖和Elsevier杂志社冯新德奖，2012获Science China Chemistry杰出贡献奖、美国化学学会高分子材料部：科学与工程分会Macro2012讲座奖等，2014年获伊朗国家滚球体育 部科学技术研究组织颁发的Khwarizmi国际奖和2015年获广州市荣誉市民。2014-2018年连续当选全球材料和化学领域“高被引科学家”。荣获2017年度何梁何利基金科学与技术进步奖，以第一项目完成人身份凭“聚集诱导发光”项目获得2017年度国家自然科学一等奖，并获得滚球体育 盛典-CCTV2018年度滚球体育 创新人物。

详情可参见唐本忠教授香港滚球体育 大学课题组网站：http://tangbz.ust.hk/index.html

本文由材料人CQR编译。

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