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新加坡国立大学刘斌团队《Matter》综述:聚集诱发光分子在生物诊疗中的应用

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

诊疗探针在疾病的成像与治疗方面有着巨大的临床应用潜力。具有聚集诱发光性质的荧光分子(AIEgens)是理想的探针构建材料。与传统的聚集淬灭(ACQ)分子不同,AIEgens在单分子状态下几乎不产生荧光,但它们在聚集状态下可以被激活进而展现强荧光发射能力。另外,通过精细的化学设计,AIEgens还可以被赋予光敏、光热能力。由于这些独特的性质,AIEgens可以被进一步设计成多种智能响应性探针,其在生物以及医学领域具有极大的应用价值。现如今,对于AIE探针的设计不再仅仅基于材料以及化学的基本原理。为了在生物体内发挥更精准的作用,AIE探针设计思路会更多的借鉴生物医学研究领域中最新、最前沿的研究进展。从这个角度出发,新加坡国立大学刘斌研究团队近日在Cell姊妹刊Matter上发表了前瞻综述论文《Biology-Oriented Design Strategies of AIE Theranostic Probes》。文章系统阐述了基于生物原理指导的AIE探针的设计、应用以及存在的问题和未来发展方向(Matter 2021,4, 350–376)。

首先,根据分子的功能和性质,作者将AIEgens归纳为AIE核心分子,AIE光敏剂和AIE光热分子三种类型(图一)。众所周知,AIE核心分子如TPE和TPS等都具有螺旋桨样结构,因而可以在聚集状态下产生强荧光发射。通过引入电子供体、受体等结构,AIE核心分子的吸收发射光谱可以进一步被红移。同时,通过降低三态单态激发态(S1-T1)能隙(ΔEst),AIEgens的光敏能力可以被显著提升。另一方面,通过引入空间隔离模块,AIEgens还可以通过提高分子的非辐射衰减过程而获得光热能力。

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图一、AIE光敏剂与AIE光热分子的设计、合成与举例。(A,B)AIE光敏剂与光热分子受光照激发后的能级跃迁图示。(C,D)AIE光敏剂与光热分子结构举例同时,为了获得更具生物功能的AIE诊疗探针,AIE光敏或光热分子还需进一步根据靶点独特的生物性质进行设计。作者在论文中将合成思路分为三个类型,分别为提高AIE探针与生物靶点的物理相互作用(静电吸附、锁匙识别等),赋予AIE探针生物环境响应性以及利用生物代谢过程实现靶向性(图二)。

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图二、AIE诊疗探针的三种设计策略进一步,基于以上三种不同的生物学原理,作者分别举例介绍几年来AIE诊疗探针领域的具有代表性的研究工作,包括响应性光动力杀菌、肿瘤的代谢标记成像和治疗、肿瘤免疫治疗等(图三、图四)。

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图三、AIE诊疗探针用于肿瘤代谢标记与治疗

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图四、AIE诊疗探针用于肿瘤免疫治疗最后,作者还提出了目前AIE探针的设计以及应用上存在的三个重要挑战。1. 如何更精确阐明AIE探针在体内的行为并促进材料在体内的生物相容性。2. 如何设计更智能的AIE探针并促进其未来临床的转化。3. 如何提高材料的组织穿透深度使其更适用于疾病的深度成像。根据这三种挑战,作者进一步提出了未来AIE探针设计的发展方向,例如开发可生物降解AIE材料、详细分析靶点生理信息以及通过材料手段提高AIE材料穿透深度等。随着各种新的AIEgens的不断开发,AIE诊疗探针已经在早期肿瘤检测、药物筛选、疾病诊疗与免疫治疗中显示出独特的优势。作者相信合理的材料设计会帮助AIE探针实现更高效的疾病诊疗以及进一步的临床转化。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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