高楠课题组构建可裸眼检测铝的AIE-COF荧光探针用以预防阿尔茨海默病

学术科学 2024-12-20 10:05 北京

阿尔茨海默病（AD）是一种神经退行性疾病，随着全球人类寿命的不断延长和老龄化的日渐加剧，用于AD患者的巨额治疗和护理费用为社会和家庭带来了巨大的负担。

AD目前并没有有效的治疗手段，因此预防AD的发生发展就显得尤为重要。最近的研究表明，金属诱导的Aβ聚集对于AD的发生发展至关重要，如铜、锌、铝、铁等。在这些金属中，铝与人们生活的关系比其他金属密切得多，它随处可见，人们随时随地都很容易接触到铝，从而发生不易察觉的铝暴露。

研究表明，过度的铝暴露可能会促进AD的发生和发展。因此，构建一种灵敏、方便、多模式的铝检测剂非常重要，对于预防铝暴露导致的AD是一种重要的手段。目前已有的检测铝的方法，如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、X射线吸收光谱法（XAS）、电化学检测法（ECD）和紫外-可见分光光度法（UV-Vis）等，都过于依赖于精密仪器，不便于普通家庭使用。相对而言，荧光检测具有独特的优势。它不仅可以用专业机构的专业仪器检测，也可以用家庭中的简单设备，如手提紫外灯、紫外线杀菌灯、家用验钞机，甚至直接用肉眼来检测。在各种具有荧光信号的分子中，聚集诱导发光（AIE）分子因其抗光漂白能力强而被广泛用于荧光成像和检测。然而，AIE分子由于缺少识别位点不能直接检测铝。

东北师范大学高楠课题组等通过将AIE分子引入共价有机框架（COFs）结构，将识别和检测功能整合在一起。他们使用四醛基四苯乙烯和不同的氨基配体设计了一系列AIE-COFs，并逐步调整了其孔径大小（图1）。通过筛选不同AIE-COFs材料在不同铝离子浓度下的荧光变化，发现COF-N1不仅荧光变化最大，而且其颜色变化可以用肉眼观察到，这样就可以通过制作肉眼可见的 "标准色卡" 来确定铝的浓度，从而实现在临床和日常生活中检测样本中铝的含量以预防AD。

图1. （a）用于COF-N1、N2和N3合成的单体以及COF-N1，N2和N3的相应结构。（b-d）COF-N1、N2和N3的不同堆积情况的模拟结果和PXRD测试结果。（e-g）COF-N1、N2和N3的HR-TEM图像（比例尺：20 nm）。（h-j）根据N₂吸附-解吸结果和QS-DFT分析得出的COF-N1、N2和N3的孔径分布。右上角的插图显示了COF-N1、N2和N3的理论计算孔径。

通过对小鼠进行不同浓度的铝暴露，结果表明，过度的铝暴露更容易形成AD。他们随后收集铝暴露小鼠的各种脏器，将处理后的器官标本加入到COF-N2中，使用荧光分光光度计（FLP）、日光肉眼和手持紫外灯肉眼三种方式检测器官中的铝含量。FLP检测结果与ICP检测结果误差仅为−0.0168±0.499 mg/mL，表明COF-N2作为Al³⁺荧光探针具有较高的准确性，可用于Al³⁺的精确检测（图2）。日光裸眼检测和手持紫外灯裸眼检测结果均获得了良好的准确性，这种便捷的检测方式增加了COF-N2作为Al³⁺荧光探针的应用场景，可用于日常生活中样本Al³⁺的便捷检测，以预防AD。

图2. （a）ICP，（b）荧光分光光度计，（c）日光肉眼和（d）手持紫外灯肉眼检测铝暴露小鼠各个器官内的铝离子浓度（1-10分别代表：1.心，2.肝脏，3.脾脏，4.肺，5.肾脏，6.血液，7.大脑，8.骨，9.肌肉，10.皮肤）。

日常生活中摄入Al³⁺的主要来源包括食用药物、食品添加剂和接触性铝制品。检测可能导致铝暴露的样品可以有效避免铝暴露引起的AD。为了验证环境样本中COF-N2检测的准确性，他们选择了碳酸镁铝、絮凝剂、明矾、铝箔、铝制厨具和餐具等各种项目。将这些物品浸入或分散在水溶液中，静置一段时间后，取上层澄清样品进行浓缩和检测。如图3所示，无论是使用肉眼还是手提紫外灯，观察者都可以很容易分辨哪些日常物品中含有较高的铝离子浓度，从而减轻不必要的铝暴露和降低相关的AD患病风险。

图3. 使用COF-N2荧光探针通过“标准色卡”检测日用品中的铝含量。（a）常见的含铝日用品（1.碳酸镁铝（达喜）；2.絮凝剂；3.明矾；4.铝箔；5.铝制厨具；6.铝制厨具餐具）。（b）明场肉眼观察（阳光）的结果。（c）手提紫外灯（345nm）下肉眼观察结果。

该成果以“Aggregation-Induced Emission-Based Covalent-Organic Framework Fluorescent Probes for Clinical Detection of Aluminum and Daily Prevention of Alzheimer's Disease by Naked-Eye”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-024-2303-x）。

扫描二维码或点击左下角“阅读原文”可查阅全文。

【通讯作者简介】

高楠，东北师范大学化学学院教授，博士生导师。主要从事阿尔茨海默症（老年痴呆症）的致病机理研究，AI辅助的早期智能检测体系的构建，全病程干预药物的设计以及可控释放体系的构建等方面的研究。

孙瀚君，理学博士，南京师范大学教授，江苏特聘教授，博士生导师。研究领域为光电催化。

杨亚杰，博士，吉林大学助理研究员，主要从事有机骨架设计及其涂层制备研究，针对有机骨架特异性差难题，靶向制备了系列有机骨架及涂层材料。

【扩展阅读】

2024年《中国科学：化学》中英文刊优秀论文评选结果发布！

《中国科学：化学》2024年上半年最受关注微信文章

Sci. China Chem.影响因子10.4 || 开启高质量发展新征程

谭蔚泓院士、彭孝军院士、张晓兵教授、Juyoung Yoon院士、樊江莉教授、袁林教授等合著综述——光疗：进展、挑战与机遇

武汉大学邹有全教授团队：分子对接辅助光敏抗菌剂的设计、合成与应用

北理工许颜清/王蔚芝&首师大魏玮：苝二酰亚胺基超分子胶囊用于肿瘤乏氧触发的光热/化疗联合治疗