唐本忠院士團隊：雙光子聚集誘導發光探針應用於脂滴熒光成像

知識 09-21

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脂滴（Lipid droplets, LDs）由磷脂單分子表層和中性脂內核組成，是細胞內中性脂的主要貯存場所，廣泛存在於多種動植物細胞中。近年來的研究發現，脂滴並非是一個「惰性」的能量貯存器，而是活躍的多功能細胞器，它的異常與肥胖、II型糖尿病、脂肪肝、高脂血症和動脈粥樣硬化等疾病有著密切的聯繫。因此，脂滴的檢測對生物醫學研究和臨床診斷具有重要意義。近年來，熒光檢測方法以其高靈敏性、高解析度、操作簡單和價格低廉等特點逐漸成為生物醫學研究的重要研究手段。商業化的脂滴熒光染料主要有尼羅紅（Nile Red）和BODIPY493/503，但是，這些染料仍存在著一些重要的缺陷：熒光背景強和斯托克斯位移小。更糟糕的是，這些傳統的熒光分子還面臨著聚集誘導淬滅（aggregation-caused quenching，ACQ）的問題。ACQ導致這些分子只能在低濃度下使用，在成像中極易因光漂白髮生熒光強度快速減弱。從2001年聚集誘導發光（aggregation-induced emission，AIE）的提出至今，香港科技大學的唐本忠院士課題組便致力於利用AIE的概念解決傳統熒光分子面臨的問題，AIE脂滴熒光探針便是其中的一個方面。相比傳統的商用熒光染料，AIE脂滴熒光探針在成像中具有亮度高、斯托克斯位移大和光穩定性好等優點，能滿足研究中細胞內脂滴的跟蹤與分析的要求。

圖1. 雙光子激發示意圖。

然而，這些AIE脂滴熒光探針仍然存在激發波長短的問題，導致在組織切片中具有較強的背景熒光和較低的穿透深度。為了解決這些問題，大量的精力投入到合成長波長激發的熒光染料，然而成功的例子卻寥寥無幾。該方案主要面臨的挑戰是增大分子間共軛引起合成困難、分子量變大、分子疏水性增強、細胞穿透性降低、紅光量子產率低等問題。另一方面，雙光子激發在生物醫學研究和臨床診斷中越來越受歡迎。雙光子激發是指物質在強激光下同時吸收兩個低能量的光子（一般是近紅外光子）而從基態躍遷到激發態的非線性光物理過程。隨著飛秒泵浦激光器的商業化，雙光子激發或熒光成像越來越普及。相比於單光子激發，雙光子激發具有長波長激發、較少的自發熒光、高3D解析度、較少的光漂白和較深的組織穿透深度等優點。若人們能將AIE特徵與雙光子激發的結合起來，構建一個雙光子AIE熒光探針，便可以為脂滴跟蹤和分析提供性能優越的生物探針，促進脂滴相關疾病的研究。

圖2. 雙光子AIE脂滴熒光探針的結構、特點及其應用。

圖3. 單光子激發和雙光子激發的對比；TPA-BI應用於組織切片中的脂滴成像，雙光子激發明顯降低背景熒光。

基於課題組前期的知識和經驗積累，在近期的工作中，唐本忠院士課題組設計了一種AIE探針，即TPA-BI，用於脂滴的雙光子成像。TPA-BI分子採用供體-π-受體（donor-π-acceptor，D-π-A）的結構，其中三苯胺不僅是強電子供體，同時還是很好的雙光子分子構建基元，而BI部分則是AIE的構建基元。按照預期，D-π-A結構的TPA-BI由於存在扭曲分子內的電荷轉移（TICT），表現出很強的溶劑化效應，在非極性環境下熒光藍移增強，可以實現對脂滴非極性環境的特異性響應。TPA-BI也表現出AIE特徵，其斯托克斯位移可達202 nm。TPA-BI可用410 nm的單光子激發，同時也可用840 nm進行雙光子激發，其雙光子吸收截面高達213 GM。實驗證明TPA-BI非常適合於各種活細胞系和固定組織切片中的雙光子成像，兼具AIE和雙光子在成像上的優點，優於商業染料。這一成果近期發表在Chemical Science上，文章的第一作者是香港科技大學的博士研究生江美娟和顧星桂博士。

該論文作者為：Meijuan Jiang, Xinggui Gu, Jacky W. Y. Lam, Yilin Zhang, Ryan T. K. Kwok, Kam Sing Wong and Ben Zhong Tang

Two-photon AIE bio-probe with large Stokes shift for specific imaging of lipid droplets

Chem. Sci.,2017,8, 5440, DOI: 10.1039/C7SC01400G

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唐本忠

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