唐本忠团队最新ACS Nano综述：实现高对比度生物成像的聚集诱导发射发光源随着聚集诱导发射发光体（AIEgens）的出现，生物医学成像领域正在发生革命性的变革。这些分子不仅克服了传统荧光探针的局限性，而且改善了高对比度成像问题。与遭受聚集引起的淬灭的传统荧光团不同，AIEgens在聚集时表现出增强的发光，从而实现了卓越的成像性能。香港中文大学唐本忠教授、赵征助理教授、Shaojuan Wang和Jing Feng等人发表综述，深入探讨了聚集诱导发射（AIE）的分子机制，展示了分子设计如何释放出卓越的发光和卓越的成像对比度，而这对区分健康和患病组织至关重要。本文还重点介绍了AIEgens的关键应用，如时间分辨成像、第二近红外窗口（NIR-II）以及AIEgens在物理和生化线索响应成像灵敏度方面的进展。AIE技术的发展有望将医疗保健从早期疾病检测转变为靶向治疗，从而可能重塑个性化医疗。生物光子学的这种范式转变为在分子水平上解码生物系统的复杂性提供了有效的工具。相关综述以“Aggregation-Induced Emission Luminogens Realizing High-Contrast Bioimaging”为题发表在ACS Nano。
AIEgens表现出卓越的属性，如高亮度、显著的斯托克斯位移和良好的光稳定性，这对于超越光的衍射极限和在超分辨率成像中实现卓越的分辨率至关重要。更重要的是，AIEgens已经证明了显示室温磷光和圆偏振发光的能力，增强了它们对各种成像应用的适应性。本综述具体介绍了开发具有持久发光、NIR-II发射和刺激响应特性的AIEgens所涉及的策略，以及它们在高对比度生物成像中的应用。最后，作者还对生物成像中AIE的研究进行了总结和展望（图1）。作者还指出，尽管取得了这一进展，但在扩大AIEgens在高对比度生物成像中的应用方面仍存在一些挑战。首先，大多数AIEgens倾向于在细胞内水环境中聚集，导致不必要的背景荧光，从而损害生物成像的分辨率。此外，与蛋白质的强疏水相互作用可能会阻止AIEgens有效聚集。因此，开发疏水性或响应性降低的AIE核心对于最小化背景信号至关重要（图2）。其次，AIEgens通常被配制成NP，以防止在水性环境中自组装。然而，目前大多数AIE NP的尺寸在几十到几百纳米之间。如此大的直径会干扰它们所附着的生物分子的生物功能。第三，确保AIEgens的无毒性和最小的副作用对于其在生物应用中的有效使用至关重要。最后，尽管AIEgens已在体外和小动物研究中显示出潜力，但其临床转化仍面临挑战。为了克服障碍，全面的毒性研究对于评估AIEgens对各种细胞类型和体内模型的短期和长期影响至关重要，以确保它们不会随着时间的推移引起不良反应或有害积累。此外，必须建立评估标准，进行药代动力学研究，并对AIEgen聚集体进行长期毒理学评估，以确保其临床使用的安全性。文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c14887?articleRef=control唐本忠最新ACS Nano：基于膜锚定聚集诱导发射探针的神经损伤追踪与可视化研究破译神经元回路对于深化我们对神经元功能的理解和推进神经系统疾病的治疗至关重要。传统的神经元示踪剂存在渗透深度有限、免疫原性高、长期和体内成像不足等限制。在此背景下，香港中文大学唐本忠教授、赵征助理教授和张健全助理教授等人介绍了一种聚集诱导发射发光原（AIEgen），MeOTFVP，可用于增强神经元追踪和成像。MeOTFVP经过策略性设计，可通过其两亲性整合到磷脂双层中，从而靶向细胞膜。供体-受体分子骨架设计则促进了其光致发光向近红外（NIR）光谱的红移，显著提高了组织穿透率。MeOTFVP对细胞膜的亲和力，加上其对深层组织的穿透，可以精确追踪爪背根神经节（DRG）回路，并对坐骨神经进行详细成像。这项研究展示了MeOTFVP作为双功能神经元示踪剂的应用，推动了使用AIEgens进行高级神经元追踪和成像的可能性。相关工作以“Neuronal Tracing and Visualization of Nerve Injury by a Membrane-Anchoring Aggregation-Induced Emission Probe”为题发表在ACS Nano。为了设计基于AIEgen的MeOTFVP，作者合成了含有烷基链的AIE活性阳离子两亲物，通过减少探针通过细胞膜的渗透，显著提高了探针的膜靶向能力（图1）。MeOTFVP结合了π共轭骨架（疏水成分）和季铵盐尾部（亲水成分），并且MeOTFVP的两亲性和多重电荷优化了其整合到细胞膜中的能力。MeOTFVP具有典型的供体-受体（D-A）分子结构，其中，甲氧基的存在增强了其供电子能力，促进了分子内电荷转移（ICT），这有助于在较长波长下进行发光。因此，MeOTFVP在溶液中在约600nm处显示NIR发射峰；然而，当处于聚集状态时，该峰更是移动到740nm。在神经元成像过程中，MeOTFVP在700 nm滤光片下的信号背景比（SBR）优于600 nm滤光片，证实了其与细胞膜和神经组织相互作用时的红移发射。此外，MeOTFVP能够追踪从皮肤到背根神经节（DRG）回路的投射，并特异性地定位在DRG神经元内，并且可排除神经胶质细胞和巨噬细胞的成像。在MeOTFVP促进的神经元成像中，可以区分受损和正常的静态神经（图2）。体外和体内研究的结果强调了MeOTFVP在神经系统内的卓越成像和追踪能力，增强了其作为神经生物学研究中有价值的神经元跟踪器的潜力。图2 坐骨神经不同时间的活体显像及提取DRG的荧光显像文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c12754?articleRe最新ACS Nano：分子内排斥相互作用可提升NIR-II聚集诱导发光源效率并实现高对比度胶质母细胞瘤成像由于能隙法则的阻碍，可获取第二近红外（NIR-II，1000-1700nm）范围内发射的高效发光体的策略仍然很少见。在此，香港中文大学唐本忠教授、赵征助理教授和南开大学丁丹研究员等人率先提出了一种可行的策略，可增强由重叠电子密度引起的排斥相互作用。实验结果，包括较小的位移、较低的重组能和受抑制的内部转换，均表明排斥相互作用有助于抑制无辐射失活。同时，供体单元的结构和杂化形式随着排斥相互作用而改变，从而提高了振子强度（oscillator strength）。通过协同效应实现了3.8倍的发光效率。此外，排斥相互作用赋予NIR-II荧光团高度扭曲的构象、优异的AIE活性，以及从分离分子到聚集体的荧光发射的级联改进。通过利用脑靶向肽使NIR-II纳米粒子功能化，研究最终实现了原位胶质母细胞瘤的准确检测和高对比度成像。这项工作不仅探索了处理棘手的能隙法则的策略，还提供了NIR-II发光剂在高对比度生物成像和胶质母细胞瘤检测中的潜在应用。相关工作以“Intramolecular Repulsive Interactions Enable High Efficiency of NIR-II Aggregation-Induced Emission Luminogens for High-Contrast Glioblastoma Imaging”为题发表在ACS Nano。![]()
理论上，当原子或单元在有限的距离或空间内相互靠近时，由重叠的电子密度引起的排斥相互作用会急剧加剧（泡利排斥）。排斥相互作用广泛存在，在物理科学中起着至关重要的作用，从微观分子到宏观物质。尽管排斥相互作用在物理科学中具有巨大的重要性，但由于能隙定律和用于调节电子相互作用的变换杂交，很少利用排斥相互作用来抑制无辐射失活。因此，作者推测，在密闭空间内引入多个大体积单元将引起显著的排斥相互作用，并最终建立刚性分子骨架和有利的电子轨道，以提高NIR-II发光体的性能。因此，为了验证所提出的概念，作者设计并合成了一系列D-A分子，即NDA-T、NDA-MeT、NDA-DMeT和NDA-TMeT（图1）。具体而言，作者采用具有大π共轭的萘二亚胺稠合2-（1,3-二硫代-2-亚基）乙腈部分作为受体。而三苯胺（TPA）作为一种具有自由旋转苯环的强供电子单元，被用作构建母体分子NDA-T的供体。为了限制TPA的变形，甲基作为一种体积庞大的空间位阻单元，被引入中心N原子的邻位以构建受阻供体。为了调节排斥相互作用，作者还分别引入了一个、两个和三个甲基单元。然后，通过将相应的供体偶联到受体上，获得靶向发光体NDA-MeT、NDA-DMeeT和NDA-TMeT。通过在密闭空间内引入多个大体积单元，靶分子的QY比其对应物高3.8倍。稳态光谱、斯托克斯位移、弛豫动力学和理论模拟的结合表明，排斥相互作用可导致较小的重组能，因此抑制了内部转换。同时，由于杂化形式的转变，激发态前沿轨道的电子密度重叠延长，导致更高的振子强度（f）。排斥相互作用诱导了一种高度扭曲的结构，这也有助于缓解聚集状态下的分子间相互作用，实现荧光强度的级联提高。利用脑靶向肽Angiopep-2修饰包裹了其中最佳NIR-II AIEgens--即NDA-TMeT的纳米颗粒，研究最终成功实现了高信号背景比（SBR）的高对比度胶质母细胞瘤成像（图2）。文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c15387?articleRef=control唐本忠团队再发ACS Nano综述：基于人造螺旋聚合物的手性纳米结构生物系统中DNA的右手双螺旋和蛋白质的左手α-螺旋等螺旋结构具有固有的手性。此外，纳米尺度的手性在它们的宏观手性功能中起着至关重要的作用。为了模拟天然手性纳米结构的结构和功能，制备了各种基于人造螺旋聚合物的手性纳米结构，这些纳米结构可以通过原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）直接观察。在这篇综述中，香港中文大学唐本忠教授、Zijie Qiu和香港科技大学Jacky W. Y. Lam等人主要介绍了手性纳米结构的形成以及聚合物链长、浓度、溶剂、温度、光照和化学添加剂引发的形态调控。此外，作者还讨论了不同的手性功能，包括手性识别、圆偏振发光、药物释放、细胞成像和抗菌。相关综述以“Chiral Nanostructures from Artificial Helical Polymers: Recent Advances in Synthesis, Regulation, and Functions”为题发表在ACS Nano。本文总结了过去几十年来，在设计和构建由静态螺旋聚合物、动态螺旋聚合物和折叠体通过各种非共价键合相互作用形成的手性纳米结构方面取得的重大进展（图1）。由此，人们已经获得了不同的纳米结构，如纳米球、纳米纤维、纳米环、纳米管、纳米线、纳米带等，不同的形态可以通过聚合物链长、浓度和外部条件（包括溶剂、温度、光照射以及化学添加剂）来调节。更重要的是，手性纳米结构的形态与其性质和功能相关。迄今为止，已经发现数种独特的手性纳米结构可用于手性识别和CPL，也可用于如药物释放、细胞成像和抗菌等生物医学功能。此外，作者还指出，尽管在手性纳米结构的制备、调控和应用方面投入了相当大的努力，但进一步研究仍存在一些挑战，具体如下：一是具有短侧基的螺旋聚合物通常只会组装成低质量的二维螺旋束，导致AFM图像较差，无法显示角度、螺距和螺旋方向。因此，对从溶液到固态的螺旋结构的研究非常有限。二是在制备螺旋聚合物基纳米结构时，很难在不破坏固体形态的情况下精确预测和控制形态。三是报道的手性纳米结构通常仅限于一种或两种组分，而自然界则存在更复杂的多组分手性结构。为了缩小差距，未来的研究方向应该是设计、构建和表征类似的多组分结构，为实际应用提供新的视角（图2）。文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c14797?articleRef=control
来源：BioMed科技
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