近红外二区聚集诱导发光探针在生物医学中的应用_桂一雄.pdf

第 44 卷 第 2 期2023年 2 月Vol.44 No.2Feb.,2023发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE近红外二区聚集诱导发光探针在生物医学中的应用桂一雄1，陈可瑶1，罗文帅1，谭永鸿1，燕鼎元1*，王东1*，唐本忠2*（1.深圳大学 材料学院，AIE研究中心，广东 深圳518000；2.香港中文大学（深圳）理工学院，深圳分子聚集体科学与工程研究院，广东 深圳518172）摘要：近红外二区聚集诱导发光探针在生物医学中的应用是一个新兴的研究领域。近红外二区聚集诱导发光探针突破了传统荧光探针穿透深度浅、光损伤小以及聚集态荧光效率低下的限制，为深层组织的高分辨率荧光成像提供了可能。研究表明，通过合理的分子设计可实现近红外二区聚集诱导发光探针激发态能量辐射跃迁与非辐射跃迁之间的可控调节，即单一近红外二区聚集诱导发光探针可同时兼具荧光、光声和光热三模态成像能力，以及多模成像指导的光热和光动力治疗。目前，近红外二区聚集诱导发光探针已发展为构建疾病诊疗一体化平台的重要选择之一。基于此，本综述系统总结了近红外二区聚集诱导发光探针的最新研究进展，主要包括分子设计及其在生物医学中的应用。最后提出目前的发展瓶颈，并对其未来的发展方向与前景进行了展望。关键词：近红外二区聚集诱导发光探针；生物医学应用；疾病诊疗一体化中图分类号：O482.31 文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20220284Near-Infrared-AIE Probes for Biomedical ApplicationsGUI Yixiong1，CHEN Keyao1，LUO Wenshuai1，TAN Yonghong1，YAN Dingyuan1*，WANG Dong1*，TANG Benzhong2*（1.Center for AIE Research，College of Materials Science and Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China；2.School of Science and Engineering，Shenzhen Institute of Molecular Aggregate Science and Engineering，The Chinese University of Hong Kong，Shenzhen 518172，China）*Corresponding Authors，E-mail：；；Abstract：The biomedical application of aggregation-induced emission（AIE）nanoprobes that emit fluorescence in the second near-infrared（NIR-）optical window is an emerging research area.In comparison with traditional fluorescent materials，NIR-AIE nanoprobes have been established to show superiority in deeper tissue penetration ability，minimized light damage，and good quantum yield in aggregated state.It has been proven that rational molecular engineering could realize the controllable regulation between the radiative and nonradiative dispersion of the excited state energy of the NIR-AIE chromophores.The unique propeller-like conformation of AIE luminogens determines its easily modulable attribute between radiative decay which can be used for fluorescence imaging（FLI）and nonradiative decay which can be harnessed to conduct photothermal imaging（PTI）/photoacoustic imaging（PAI）/photothermal therapy（PTT）/photodynamic therapy（PDT）.At present，AIE luminogens have developed into an alternative candidate to build integrated“one-for-all”theranostic platform.Herein，this review systematically summarizes the latest research advancements of NIR-AIE probes，on the aspects of molecular design and biomedical applications.Besides，the current challenges and future research directions of NIR-AIE nanoprobes are briefly discussed in the end.文章编号：1000-7032（2023）02-0356-18收稿日期：20220730；修订日期：20220817基金项目：国家自然科学基金（52122317，22175120）；深圳市自然科学基金（RCYX20200714114525101，JCYJ20190808153415062，JCYJ20190808142403590）；广东省杰出青年基金（2020B1515020011）Supported by National Natural Science Foundation of China（52122317，22175120）；The Developmental Fund for Science and Technology of Shenzhen Government（RCYX20200714114525101，JCYJ20190808153415062，JCYJ20190808142403590）；The Natural Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Guangdong Province（2020B1515020011）：共同贡献作者第 2 期桂一雄，等：近红外二区聚集诱导发光探针在生物医学中的应用Key words：near-infrared-probes showing aggregation-induced emission characteristics；biomedical applications；disease theranostics1引言荧光材料已被广泛应用在光电器件、生物传感、纳米医学等领域。其中，基于荧光探针的荧光成像（FLI）因其非侵入式的可视化检测方式、实时原位、高时空分辨率等优点而被广泛应用在活体成像、临床诊断、癌症治疗等生物医学领域1-2。过去的几十年中开发的荧光探针发射波长主要集中在传统可见光（400700 nm）与近红外一区窗口（NIR-，700900 nm）3。然而在这一波段范围下，光子的散射程度高、穿透深度差、生物组织自发荧光背景干扰大，极大地限制了荧光探针在生物医 学 上 的 应 用。与 可 见 光 以 及 NIR-窗 口 相比，发射在 1 0001 700 nm 之间的近红外二区（NIR-）窗口的荧光探针具有更低的光散射以及更强的生物组织穿透能力（约 520 mm）。此外，该波段的组织自发荧光低，从而可以实现更高分辨率和更高信背比（Signal to background ratio,SBR）的 FLI4-6。目前，已经报道了多种类型的 NIR-荧光材料7。其中，无机类荧光材料主要包含单壁碳纳米管、金纳米棒、量子点8-10等，有机类荧光材料主要包括共轭聚合物和小分子染料11-13。无机类荧光材料因其难以被生物组织降解而引起生物相容性方面的担忧。相比之下，有机荧光探针更容易被生物体代谢，且结构和纯度确切、容易修饰加工，因而备受研究人员青睐。例如，亚甲基蓝14和吲哚菁绿（Indocyanine green，ICG）15已获美国食品药品监督管理局（Food and drug administration,FDA）批准，被广泛应用于临床研究16。有机荧光分子随着共轭程度的扩展，探针分子吸收/发射红移的同时，疏水性也随之增加，在生理环境下难免会发生聚集。然而，传统的有机荧光材料在聚集或者高浓度状态下容易发生-堆积，从而产生聚集导致荧光猝灭（Aggregation-caused quenching，ACQ）效应，使得成像与治疗效果不尽人意17-18。2001 年，唐本忠院士等通过六苯基噻咯发现了一种与 ACQ 现象完全相反的光物理现象，称之为聚集诱导发光（AIE）19。如图 1（a）所示，AIE 分子在分散状态时，不产生荧光或只产生很弱的荧光；当 AIE分子处于聚集态时，由于分子内运动受限（Restriction of intra-/intermolecular motion,RIM）使得非辐射跃迁能量耗散途径得以抑制，从而表现出增强的荧光发射。此外，还可以通过合理设计分子结构和骨架调控激发态能量辐射耗散与非辐射耗散的平衡，实现不同性能如高荧光量子产率（Quantum yield,QY）、高活性氧（ROS）产生效率、高光热转化效率（Photothermal conversion efficiency,PCE）或者多模态诊疗等 AIE 探针的构建（图 1（b）。因此，AIE 荧光探针除了其优异的 FLI 效果之外，在光动力治疗（PDT）与光热治疗（PTT）领域也具有广泛的应用（a）（b）Aggregate stateS1S0AIEgenRIMMotionSolution stateO2T1ROSISCPAPTFLExcitationRadiative decayNonradiative decayTransition processesFL:fluorescencePT:photothermalPA:photoacousticISC:intersystem crossingROS:reactive oxygen speciesRIM:restriction of intra/intermolecular motion图 1（a）聚集诱导发光分子诊疗功能示意图；（b）雅布隆斯基能级图。Fig.1（a）Graphic description of the theranostic functionality of AIEgens.（b）Jablonski diagram.357第 44 卷发光学报前景，成为生物医学诊疗领域一颗冉冉升起的新星19-23。兼具 NIR-发射和 AIE 特征（NIR-AIE）的荧光探针可以增强探针在聚集状态下的荧光效率并可用于更深组织部位的成像。自 2018 年首次报道以来24，NIR-AIE荧光探针引起了越来越多的研究兴趣，基于它的生物应用也在过去几年中经历了蓬勃发展25-26。基于此，本文总结了 NIR-AIE 探针在生物医学应用中的最新研究进展。首先讨论了 NIR-AIE 探针在活体成像中的应用；其次概述了基于 NIR-AIE 探针的