Advanced Healthcare Materials: AIE共轭聚合物用于荧光-拉曼双模态成像及耐药菌杀伤

荧光成像因其简便快速、直观灵敏、实时追踪等优势而被广泛应用。与传统的荧光染料相比,具有聚集诱导发光(AIE)效应的荧光材料具有用量灵活度大、光稳定性好、可以用于细胞的长效实时监控等诸多优势,在生物医学领域表现出良好的应用前景。但是荧光探针对细胞的微环境比如粘度、极性、酸碱性比较敏感,且容易受到细胞自发荧光背景干扰,因此单一的荧光信号很难实现高对比度的成像。相比之下,拉曼成像具有受外界刺激干扰小、信号稳定等优势,但是拉曼成像往往受限于较弱的拉曼信号和较低的灵敏度。具有荧光/拉曼双模态成像效果的探针能够结合两种成像模式的优点,实现高对比度且高灵敏度的生物成像,在手术导航等方面具有重要的应用价值。

近期,唐本忠院士团队深圳大学AIE研究中心王东副教授和韩婷助理教授报道了一系列具有典型的AIE特性的聚对苯撑乙炔(PPE)材料。该工作的设计策略既解决了传统的PPE共轭聚合物聚集态荧光效率低的情况,又充分利用了PPE类聚合物固有的炔基拉曼信号增强效应,从而实现了荧光和拉曼信号的双重增强效果,可以用作荧光/拉曼双模态成像探针。通过对侧链的进一步功能化,得到的PPE聚电解质可以选择性地对细菌进行成像,并且可以有效杀伤革兰氏阳性菌和耐药菌。

图1 结构设计策略示意图

从荧光光谱数据可以看出,作者所设计的三种共轭聚合物均表现出明显的AIE特性:在聚集态具有比溶液态更好的荧光发射性能。但是,其中侧链带铵盐的CP1聚合物的固态发光效率不太好,这可能是来自于致密固态下分子内或分子间的多重作用力的影响,比如说可能存在不利于荧光发射的强π-π作用等。当侧链换成大位阻的季铵盐基团时,可以有效阻止分子间或分子内的致密堆积,因此CP2表现出良好的固态发光效率。通过研究这三种聚合物在不同溶剂体系下的聚集态形貌,作者发现:虽然三个聚合物仅仅只有侧链基团的微小差别,但是却表现出完全不同的组装形貌。这种组装行为的发生可能来自于多重链内/链间作用的影响,比如说亲疏水作用、静电作用、π-π作用、C-H···π作用和氢键作用等。

图2 (A) CP0在THF/H2O,(B) CP1在H2O/THF,(C) CP2在DMSO/toluene混合溶剂中的荧光发射光谱

拉曼测试结果表明:在785nm激发光源下,CP0聚合物表现出明显的炔基拉曼增强效果,相对拉曼强度(RIE)高达17.1,比常用的小分子拉曼探针高出很多。基于这类AIE-PPE聚合物优异的聚集态荧光和拉曼信号,作者探究了其在肿瘤精确切除中的应用。通过将CP0包覆成纳米颗粒注入小鼠体内,可以观察到小鼠肿瘤部位的清晰灵敏的荧光成像效果。但是在第一次肿瘤切除手术结束后,受限于荧光成像的对比度,已经很难通过荧光信号辨别残留的微小肿瘤组织的边界,而利用拉曼成像可以清晰地观察到残留的微小肿瘤组织,从而可以辅助进行第二次更精准的肿瘤切除手术。

图3 (A) 从 M1 到 CP0 的聚合诱导拉曼增强示意图。 (B) CP0, M1, EdU溶液态的叠加拉曼光谱。(10 mM,激发:785 nm)。(C) CP0、M1 和其他已报道的代表性炔烃的相对拉曼强度 (RIE)(PA = 苯乙炔;DPA = 二苯乙炔;BDB = 1-苯基-1,3-丁二炔)
图4 (A)在不同时间点瘤内注射 CP0 NPs后肿瘤的荧光成像。 (B) CP0 NPs注射后小鼠肿瘤在第一次治疗前后的代表性荧光成像结果。第一次治疗后手术切口部位组织的 (C) 拉曼成像和(D) H&E 染色结果。(E) 的二次治疗前后小鼠肿瘤的代表性荧光成像。第二次治疗后手术切口部位组织的(F) 拉曼成像和(G) H&E染色结果

进一步功能化后得到的聚合物CP1和CP2表现出了很好的选择性染菌效果:可以对细菌优先进行成像,而在细胞内基本没有检测到荧光信号。Zeta电势的实验结果表明:这两种聚电解质和细菌之间存在较强的静电作用,但是和细胞之间的作用力却很弱,因此具有选择性点亮细菌的效果。通过进一步的ROS测试,作者发现CP1和CP2都有明显的ROS产生能力,有望用于光动力杀菌当中。后续一系列的杀菌实验结果表明:相对于CP1而言,CP2表现出更好的杀菌效果,对革兰氏阳性菌(S. aureus)和耐药菌(MRSA,VREF)均可以进行有效的光动力杀伤。

图5 CP2 (10 µg/mL, 30 min) 处理的 (A) HUVECs,(B) HUVECs与S.aureus共孵育 30 分钟,(C) HUVECs与E.coli 共孵育30 分钟的荧光、合并和明场图像。
图6 (A) 使用 DCFH 作为指示剂在白光照射下CP0-CP2 (1 µg/mL)的ROS产生能力。(B) 和 (C) 在光照和黑暗条件下CP2对不同菌的抗菌效果

香港中文大学(深圳)唐本忠院士、深圳大学AIE研究中心王东副教授和韩婷助理教授为论文的共同通讯作者,深圳大学博士后苏湘和南开大学的刘瑞华老师为论文的共同第一作者。

论文信息

Aggregation-Induced Emission-Active Poly(phenyleneethynylene)s for Fluorescence and Raman Dual-Modal Imaging and Drug-Resistant Bacteria Killing

Xiang Su#, Ruihua Liu#, Ying Li, Ting Han*, Zhijun Zhang, Niu Niu, Miaomiao Kang, Shuang Fu, Delaing Wang, Dong Wang*, Ben Zhong Tang*

Advanced Healthcare Materials

原文链接:https://doi.org/10.1002/adhm.202101167