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生物可排泄的AIE纳米点用于绒猴活体的可视化

大家好，今天给大家推荐的是最近发表在AM上的一篇文章，通讯作者是浙江大学钱骏和高丽霞以及香港科技大学唐本忠院士。

AIE的发展为临床提供了潜在的诊断和治疗手段。目前，已有许多研究对小鼠荧光成像进行了研究。作为临床进步的重要环节，AIEgens的生物安全问题至关重要，但尚未引起足够的重视。例如，AIEdots的生物排泄问题是下一代AIEgens设计应该考虑的一点。另外，近红外二区(NIR-II,-nm)的荧光生物成像能够以高信号-背景比和清晰的空间分辨率精确地显示哺乳动物某些厚组织的细节。目前，生物排泄、长发射波长和高发射强度构成了对新的AIE纳米点的三项要求，普通绒猴是人类行为和疾病研究中具有重要影响和前景的模型，由于其在生理、遗传和代谢等方面与人类相似，在纳米医学研究中得到了广泛应用。该物种在药理活性、治疗靶点、动力学和代谢等方面与人类的相似之处已被其他科学研究人员证实。了解狨猴的神经活动和大脑血流调节对揭开人类大脑疾病的神秘面纱是必不可少的；此外，绒猴的胃肠道结构与人类的胃肠道结构非常相似，这为胃肠道疾病的研究提供了极大的便利。作为迈向临床的重要一步，绒猴为在非人类的灵长目动物中应用AIE纳米点成像提供了非常有吸引力的模型。

这篇文章中，作者报道了具有长脂肪链的AIEgens对静脉注射聚 胶束的排泄有显著的贡献。此外，作者还设计了一种可排泄的NIR-IIAIEgenOTPA-BBT，其在nm处的摩尔吸收系数为5*M-1cm-1(在NIR-I区)。PEGylatedOTPA-BBT点的 发射波长为nm，具有极高的NIR-II光致发光(PL)量子产额(PLQY，测量值为13.6%)，可以发出超过nm甚至超过nm的超亮发光(NIR-IIb)。在低剂量OTPA-BBT点的帮助下，首次在狨猴中成功地进行了NIR-II荧光穿透薄颅骨大深度脑血管显微镜成像和NIR-IIb荧光无胃肠（GI）成像。值得注意的是，AIE纳米点在非人类灵长目和啮齿动物肝胆和胃肠道通道的排泄得到了先进的NIR-II荧光成像技术的支持。

图1OTPA-BBT及其纳米点的光物理性质。A)分子结构(红色单位为受体，蓝色单位为供体)以及计算得到的HOMO和LUMO能量分布。B)OTPA-BBT在不同波长的摩尔吸收系数图。C)OTPA-BBT的PL峰值强度随THF/水混合物的含水量(fw)的变化曲线。D)OTPA-BBT纳米点的制备示意图。E)OTPA-BBT纳米点的DLS结果和STEM图像。比例尺:nm。F)OTPA-BBT纳米点在水分散体中的PL激发映射。G)荧光强度的积分。纵坐标的值表示nm与纵坐标对应波长之间的荧光强度积分。纵坐标上的差值表示对应光谱(横坐标)范围内的总荧光强度。

荧光染料的荧光强度由吸收系数(ε)和PLQY(φ)决定，前者反映发色团吸收光的能力，后者表示辐射衰减发光的效率。因此，同时开发具有高ε和φ的荧光团是一项很有意义的工作。从分子结构的角度来看，高ε通常需要一个平面构象来保证有效的π-轨道重叠和振荡强度，而在扭曲结构中高φ则有利于避免ACQ效应。为了解决这一问题，一个高度共轭的核心结构与几个扭转苯环结合可能是很好的解决方案，其中具有良好共轭性的平面核心单元可以实现有效的电子跃迁，取 转子有望抑制分子间π-π堆积并产生AIE特征。受前期工作的启发，推测脂肪链受某些载体蛋白的影响，可能有助于从胶束中释放亲脂分子，这可能有助于体内外源性药物的排泄。考虑到这一点,一个强供体受体(D-A)类型化合物,其中脂肪链取代的三 (OTPA)和苯并双噻二唑担任吸电子基,设计了一种高亮度低能带隙的AIEgen。密度泛函理论(DFT)计算表明，BBT与相邻苯环的二面角较小(约31o)，表明分子结构相对平面，共轭性较好。而外围 衍生物高度扭曲，有利于实现AIE特性。图1A中所示，HOMO轨道主要分布在供体部分,而LUMO主要集中在吸电子端,说明该分子具有较强的分子内电荷转移。

OTPA-BBT在THF中的吸收光谱如图1B所示。有趣的是，该化合物在NIR-1光谱区域表现出较宽的吸收，在≈nm处具有5×M-1cm-1的高摩尔吸收系数，有利于有效的光激发。振子强度（f）表示分子在不同能级之间迁移的概率，是激发能力的指标。计算得出从HOMO到LUMO的OTPA-BBT的f值高达0.76，这暗示了高电子跃迁的可能性，并解释了高ε值。接下来，作者研究了不同水含量下的PL特性，OTPA-BBT的PL强度通过将THF/H2O混合物中的水含量（fw）增加到30％而逐渐降低，这可能是由于在高极性环境中扭曲的分子内电荷转移效应所致。然后，当fw进一步增加到90％时，荧光发射大幅度增加，具有显著的AIE特性（图1C）。纳米沉淀法使用的是美国食品药品监督管理局（FDA）批准的F-（图1D）。两亲性嵌段共聚物可以改善发光探针的亲水性和生物相容性，在另一方面，聚集了AIEgens并且通过分子间的固定来减少分子内运动。如图1E所示，纳米粒子是均匀的，并且动态光散射粒径28.6±1.8nm和TEM粒径25.0±0.8nm，具有较窄尺寸分布。以 中的IR-26作为参考（PLQY=0.5％），确定OTPA-BBT纳米点的NIR-IIPLQY为13.6％。由于NIR-II区域的吸收大，PLQY高以及胶束内部的纳米聚集增强了发射强度，因此OTPABBT点显示出明亮的NIR-II荧光。PL激发映射是在OTPA-BBT纳米点上进行的，并演示了激发-发射关系，这使我们对光学特性有了更深入的了解，如图1F所示。此外，图1G中荧光强度的积分光谱直观地显示了可观的发射，纵坐标上的差异表示超过和nm的总荧光强度。即使仅占据了整个PL光谱的一小部分尾部（尤其是超过nm），InGaAs相机仍然可以很好地感应到信号，这预示了NIRIIb的巨大潜力（超越nm）荧光成像。然后将悬浮在 盐缓冲液血清，模拟肠液和胃液中的OTPA-BBT点暴露于nm连续波（CW）激光照射下，功率密度为mWcm-2，持续30分钟，其功率高于现实的体内成像。可以在极端环境中表现出出色的光稳定性和化学稳定性。此外，在酸性（pH=2）和碱性（pH=12）介质中分散5天后，纳米点的形态、粒径和光学性能没有明显差异。OTPA-BBT点也可以成功地冻干和再溶解，说明该药物在未来具有长期保存甚至工业化发展的潜力。

图2高空间分辨率的透薄颅骨脑血管显微镜成像。A)显微镜成像示意图。B)NIR-II荧光显微图像。C)皮质血管的位置与时间的关系图。D)C图的时域信号快速傅里叶变换。E)C图的功率谱密度。F)狨猴静脉注射OTPA-BBT纳米点后粪便和尿液归一化PL强度。G-M)薄颅骨下不同深度的图像。比例尺:微米。N)沿脑血管白线的荧光强度横断面剖面图(插入(I))。对剖面的高斯拟合由(N)中的红线所示，显示出高空间分辨率。

在生物学研究领域，啮齿动物、人类和其他物种的脑血管系统的解密与神经信息学和脑相关理论的探索密不可分。同时，一些常见的神经系统疾病，例如阿尔茨海默氏病或肌萎缩性侧索硬化症可能与脑血管结构和功能障碍有关。在这篇研究中，低剂量（2mgkgBW-1）的OTPA-BBT点可能使脑血管小鼠颅窗下的网络清晰可见。然后将脑血管系统的观察扩展到狨猴，并且作者扩展了狨猴中脑血管结构的无害OTPA-BBT点辅助NIR-II荧光成像的可行性（图2A）。NIR-II荧光广域显微镜具有易于操作和有效防止信号丢失的特点。为了通过变薄的头骨收集更多的NIR-II信号，作者收集了血管中nm以上的荧光发射。静脉注射OTPA-BBT点（2mgkgBW-1）后，NIR敏感相机通过扫描透镜保留了大范围的皮质脉管系统。跟踪毛细血管的周期性振动，我们及时测量了狨猴的呼吸频率（0.64Hz）和心率（3.30Hz）（图2B–E，另外两个峰值为1.28和图2D，E中的6.60Hz分别代表心率和呼吸率的二次谐波）。该计算在正常范围内，并且与由ECG（心电图）监视器测量的实际值相呼应。作者还

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