聚集诱导发光——团结就是力量,聚集照亮健康

在现代医疗体系中,分子影像学是监测健康相关的生理和病理过程的有力工具。目前,已经发展了多种成像模式,如超声、X-射线、核磁共振等。然而,这些成像模式普遍存在着分辨率低和灵敏度差等问题。相比之下,荧光成像具有灵敏度高,实时可视化,副作用小,操作简便等特点。有机发光材料具有一些自身的优点,包括生物相容性好,方便易得以及潜在的可降解性等,在活体成像领域具有非常好的应用前景。例如,吲哚菁绿(ICG)和亚甲基蓝(MB)已经被FDA批准用于临床使用多年,显示了有机小分子材料在临床转化方面的巨大潜力。然而,传统的有机染料存在一些问题,包括斯托克斯位移小(<30 nm),抗光漂白性差和聚集导致猝灭等问题,大大限制了它们的实际应用。尤其是聚集导致猝灭问题,对固态或者聚集态的应用非常不利。

2001年,唐本忠院士课题组首次提出了”聚集诱导发光(AIE)”的概念,是一种新的光物理现象。与聚集导致猝灭现象不同,AIE材料在稀溶液中几乎不发光,而在聚集态的发光非常强。通过一系列机理方面的研究,分子内运动受限证明为AIE现象的主要机理。在该机理的指导下,开发了大量的AIE分子,其发射波长可以覆盖整个紫外-可见光波段,最近已经延伸到近红外区域。该类材料在光电器件、化学传感、过程监测、细胞成像和生物探针等领域取得了重要的应用。最近几年,涌现了大量性能优异的生物应用AIE材料,在活体成像与诊断治疗等方面显示出非常重要的应用前景。

香港科技大学唐本忠院士和南开大学丁丹教授课题组对AIE材料的生物应用进行了归纳性的系统总结。文章主要评述了近期AIE材料在动物体内的研究进展,包括长期追踪、三维血管造影、多模态成像、疾病诊断治疗和可激活探针等方面的应用。AIE纳米粒子可以对干细胞进行长达42天的长效追踪,可以用于大深度的脑部双光子成像,用于近红外二区的高分辨率成像探测;AIE材料可以与其它成像模式相结合,进行多模态成像,例如:荧光/CT,荧光/核磁共振,荧光/光声等;通过有效利用光物理过程产生的能量,AIE材料可用于诊断治疗一体化,如荧光成像介导的光动力学治疗,化学发光和光动力/化疗协同治疗;光声成像介导的光热治疗等;AIE材料自身的特点使其可以很好地用于可激活的探针,如“点亮型”的细胞凋亡检测和治疗,炎症部位的荧光激活和药物治疗追踪,光可控的荧光-光声成像可逆转变及大幅提高肿瘤手术的监测与治疗效果。文章最后,作者还对该领域的未来发展进行了展望,例如:开发同时具有近红外吸收和发射的AIE材料;发掘分子转子在促进光声性质方面的应用;利用AIE机理,更好地探索“点亮型”探针的活体应用;开发高特异性的刺激响应型探针;调控发光寿命,用于时间尺度的成像等。

相关综述文章发表在Advanced Healthcare Materials (DOI: 10.1002/adhm.201800477)上。本文的作者依次为齐迹博士,博士生研究生陈超,丁丹教授和唐本忠院士。