内容提要
微观世界的观察，特别是细胞器的结构，自17世纪以来一直是一个有吸引力的话题。作为一种强大的检测工具，荧光技术在生物成像中发挥了重要作用，与传统光学显微镜相比，荧光技术提供了更多的细节，提高了信噪比。近二十年来，聚集体致发光材料(AIEgens)的兴起彻底改变了生物发光材料的设计策略。本文综述了AIEgens在成像和跟踪方面的优势和最新进展。介绍了AIEgens的不同成像策略，包括开启成像、刺激响应传感和长期跟踪。通过不同的方法，近红外光源用于深度生物成像也进行了讨论。最后，我们提出了AIEgens在生物成像领域的几个潜在发展方向。
开启成像
传统的ACQ荧光探针即使在非靶向结合位点和培养基中也会发射，导致高背景噪声。相反，在溶液中几乎没有排放。加入培养基后，由于AIEgens在聚集状态下只产生明亮的发射色，并且培养基中的背景信号较弱，因此只有结合位点才会有明显的发射，使得生物成像过程无需清洗，方便使用。AIEgens具有结合位点特异发射、低背景噪声、免水洗操作方便等优点，是开启成像探针的优秀候选者。从分散状态到聚集状态的变化还可以通过溶解度的差异来实现。在不需要的溶剂中聚集时，氮气倾向于表现出增加的排放。利用这一策略，Zhao和Tang等人通过构建三苯胺(TPA)和苯并噻唑-7-乙基丙二腈(BSM)开发了TPABSM 28TPA是具有显著供电子能力的典型AIEgen，而BSM是新引入的受体核，具有较强的供电子能力。通过TPA和BSM的结合，形成了一种供体-受体(D-A)结构，使红色发射具有优异的AIE性能。此外，氟原子的加入是一种广泛使用的策略，以改善有机分子的亲脂性受此鼓舞，作者探索了TPABSM作为脂滴(LD)靶向染料的潜力。
通过将分子插入蛋白质腔体来限制分子的运动是开发开启探针的另一个有希望的策略。HaloTag和SNAP-tag是活细胞内共价标记的两种常用标签。HaloTag是一种酶，其活性位点可以与氯烷配体共价连接，形成机械上牢固的键SNAP-tag通常是用化学探针与苄基鸟嘌呤(BG)衍生物进行共价标记。在此过程中，BG衍生物与SNAPtag发生不可逆反应，导致BG衍生物中的功能化苄基转移到SNAP-tag活性位点的半胱氨酸残基上，从而形成共价修饰蛋白Halo Tag和SNAP-tag荧光探针分别用于靶向特定蛋白。加入1% SDS或8 M尿素等变性剂后，荧光强度大幅下降，说明蛋白质结构对与荧光探针结合起关键作用。在这些荧光探针中，选择两种近红外荧光探针Halo罗丹明-4和SNAP罗丹明-3进行活细胞成像。将它们与细胞表面表达Halo标签或snap标签的HEK293T细胞孵育。荧光成像显示良好的信噪比(SNR)，没有洗掉额外的探针，靶蛋白表达细胞的表面清晰地勾画出来。对TICT的限制为AIE探针的开启提供了一种新的策略。
STIMULI-RESPONSE传感
Zhu等人开发了一种极性敏感探针(tict -脂质)来识别外细胞膜和细胞膜之间的微小差异tict -脂质表现出明显的溶剂致变色性质。随着溶剂极性的增加，其发射色由绿色变为红色，表明其对极性的敏感性。作者认为，tict -脂质的正电荷和长烷基链有利于其嵌入细菌膜的双层。在革兰氏阴性菌松散的外膜中，tict -脂质呈高度扭曲的构象。相反，在革兰氏阳性菌的膜中，tict -脂质表现出较少的扭曲构象。为了评估tict -脂质与细菌膜的相互作用，本研究以革兰氏阴性耐氨苄西林大肠杆菌和革兰氏阳性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)分别作为革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的代表。在这些细菌存在的情况下，测量了tict -脂质的发射光谱。与磷酸盐缓冲盐水(PBS)相比，tict -脂质与细菌孵育使发射光谱蓝移。MRSA组表现出更明显的变化(约50 nm)。coliAmpr组(约15 nm)。然后，利用tict -脂质对破膜抗生素的抗菌机制进行研究。PMB是一种阳离子肽，被用作破坏革兰氏阴性菌外膜的模型药物。经PMB处理后，外膜被破坏，外膜中的tict -脂质可以以不同的构象进入细胞膜。通过原位发射光谱观察到差异。随着PMB浓度从0 μg mL−1增加到4 μg mL−1，荧光增强，最大发射蓝移约20 nm。
许多AIEgens已经被开发用于检测细胞内粘度。Shi and Yan等报道了一种用于溶酶体粘度成像的新型AIEgen一些基于硼二吡啶(BODIPYs)的探针已经被报道用于粘度传感，这取决于介观基团的旋转。同样，他们设计了一种具有溶酶体靶向基团的新分子(BODIPY1)。该分子表现出优异的粘度响应和显著的AIE特性，使其成为成像应用的宝贵材料。亚细胞成像已证明其靶向人神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y细胞)溶酶体的能力。加入脂多糖(LPS)或制霉菌素后，用BODIPY1检测细胞内粘度的差异。BODIPY1在低粘性细胞中表现为弱发射，而在药物处理细胞中表现为增强发射。通过改变具有不同靶向能力的旋转体，AIEgens可以用于感知不同环境和细胞中的细胞粘度。
长期跟踪
Kwok, Wang, and Tang等人开发了一种用于监测medaka组织再生的AIE探针合成了(Z)-3-(4-(4 -甲基哌嗪-1-基)苯基)-2-(4-(吡啶-4-基)苯基)丙烯腈(CSMPP)作为新型AIE探针。在乙腈/水混合物中可以观察到AIE特征，并且随着粘度的增加，排放物也出现增强。此外，n -甲基哌嗪基和吡啶基两个质子化位点支持CSMPP的ph响应能力。当pH值从3.45增加到6.80时，CSMPP的荧光由红色变为黄色，再变为绿色。这种反应不依赖于生命系统中常见的化学物质，如葡萄糖和天然氨基酸。体外细胞成像发现CSMPP对溶酶体具有靶向能力。LysoTracker Red (LTR)与CSMPP的光谱重叠较好，Pearson相关系数为0.92。此外，CSMPP饲喂4小时后，可将水母幼虫全身点亮。光稳定性也是长期跟踪的基本要求之一。经100次连续扫描，保留80%以上的荧光信号，证实CSMPP具有良好的光稳定性。通过跟踪溶酶体的pH值，可以观察水母幼虫的尾鳍再生情况。断肢后pH值下降，在断肢后24 ~ 48 h达到最小值(hpa)，然后在再生过程即将结束时(120 hpa)恢复到接近正常水平。刺激反应传感器实现了从静态检测到动态监测的飞跃。
荧光可以在体内实时观察生物过程中的细胞活动例如，Zheng和Tang等人开发了一种用于细胞行为实时成像的AIEgen (TPE-PyN3)吡啶组使TPE-PyN3靶向线粒体。与MitoTracker red(一种商业染料)相比，TPEPyN3与培养细胞孵育仅5分钟后，线粒体就可以被点亮，信噪比更高。通过将其与商业染料5-氯甲基荧光素二醋酸酯(CMFDA)进行比较，证实了长期跟踪的潜力。TPE-PyN3在活细胞中可保持多代荧光。在斑马鱼活体胚胎中，TPE-PyN3可以对整个胚胎表面进行染色，在生理条件下，荧光可保持长达60 h。实现了活斑马鱼细胞凋亡的长期跟踪。硫酸镉和司陶孢素是引起细胞凋亡的两种药物。这两种药物处理后，TPE-PyN3染色的斑马鱼荧光几乎消失，表明细胞凋亡开始，线粒体膜电位降低导致TPE-PyN3从线粒体中逸出。
近红外光谱成像
D-A结构可以通过强分子内电荷转移(ICT)使发射红移。此外，通过空间电荷转移，发生在供体和受体的配合物中，也会引起发射的红移Qian、Chen和Tang等人通过简单地将受体和供体封装在纳米颗粒(NPs)中实现了近红外发射。89选择2,3,7,8-四苯基吡嗪[2,3 -g]喹诺啉为受体，同时选择TPA和n -甲基苯基苯胺为两种不同的给体。所得配合物表现出优异的双光子近红外荧光。理论计算结果表明，供体和受体之间存在明显的空间电荷转移。供体和受体的扭曲构象导致弱π··π堆积，这是导致ACQ的原因。使用NPs可以观察到高分辨率和高对比度的荧光成像和荧光寿命成像。毛细血管在近红外图像中清晰可见。相似的血管宽度分别为4.3 μm和4.7 μm，表明脑组织毛细血管形态均匀。明亮的发射为AIEgens在近红外区域的深层组织中提供了良好的成像能力。
Fan和Zhang等人将具有重叠发射和吸收区域的化学发光原和两种AIEgens封装在纳米颗粒中，构建了级联的CRET和FRET系统一旦遇到ROS, CLgens就会被激发并将能量转移到BTD540(红色发射)，然后转移到BBTD700 (NIR-II发射)。通过使用该系统，他们实现了活体小鼠免疫测定的高对比度NIR-II成像，与荧光成像相比。Zhang和Tang等通过调整AIEgens的供体，极大地提高了NIR-II PL和CL的量子产率(QYs)。在结晶状态下，TPE-BBT表现出比TPA-BBT更高的QY，这是由于其更强的分子间相互作用。计算结果还表明，TPE部分的给电子能力弱于TPA部分，表明暗TICT效应减弱，QY增加。与TPA-BBT和吲哚菁绿(ICG)相比，TPE-BBT的PLNPs在血管成像方面表现良好，具有最高的信号背景比(SBR)。观察TPE-BBT和TPA-BBT在CLNPs关节炎症成像中的表现。TPE-BBT CLNPs注射2min后CL强度升高。TPA-BBT CLNPs表现出良好的长期跟踪成像能力。另一方面，TPE-BBT的CL成像质量更高，即使SBR大于10，也可以持续62分钟。CL - aigens可以进一步提高近红外成像的清晰度和对比度。
总结
在过去的二十年里，我们目睹了世界各地科学家开发的基因在数量和结构多样性方面的激增AIEgens的发射波长覆盖了整个可见波长范围，并进一步扩展到生物成像的近红外区域。AIEgens已经成功地应用于从生物分子检测到细胞器靶向细胞成像，从小动物到高级灵长类动物的活体成像。本文综述了AIEgens用于生物成像的最新进展，包括开启成像、刺激反应传感、长期跟踪和近红外成像。总结了AIEgens在生物成像领域的优势:1. AIEgens从单分子状态转变为聚集体状态后，在生理环境中表现出突出的开启特性;2 .聚集体状态下的高亮度和抗光漂白能力使AIEgens具有优异的信噪比和长时间成像的潜力;3 .通过调节分子结构可以实现不同的发射颜色和对不同刺激的响应。
参考文献
https://doi.org/10.1021/cbmi.3c00056
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