AIE聚合物在生物成像及诊疗领域的应用

【作者】 胡蓉； 秦安军；

【机构】 华南理工大学；

【摘要】 自2003年第一次将聚集诱导发光(AIE)引入聚合物体系,成功构建了高发光效率的AIE聚合物,并被成功应用于众多领域[1]。具有AIE性能的聚合物能够通过聚集限制分子内运动(RIM),有效抑制活跃的分子内运动耗散分子激发态能量,打开辐射通道,表现出发光增强。相对于传统高分子发光材料,AIE聚合物聚集态具有更高的发光效率、良好的光稳定性和大的Stokes位移。此外,结构上AIE聚合物是由小分子AIE基元通过共价连接而形成的大分子,然而其性能并非在小分子基础上进行简单的叠加或者堆砌,AIE聚合物往往表现出相对于小分子体系来说更优异的性能,如协同放大效应,使得高分子发光材料在相关领域的应用中有着其独特优势[2]。在生物成像领域,发光材料的特异性及生物兼容性是两个非常重要的参数。我们开发了一种新型的AIE聚合物,通过结构设计调整了聚合物的亲水性及胜利环境下的尺寸,实现了在哺乳动物细胞(活细胞、凋亡细胞和死细胞)和微生物(细菌和真菌)等存在的情况下,能选择性的与活细胞结合。与此同时,该聚合物的单体能够与所有不同状态的细胞结合,商业化小分子染料钙黄绿素虽然能够很好的与活细胞结合,但是在凋亡晚期及死细胞中依然能检测到钙黄绿素的荧光信号,展示了该AIE聚合物更优良的选择性。进一步的,前期的细胞毒性实验显示,该聚合物跟钙黄绿素相比表现出更好的生物相容性[3]。此外,我们还设计并发展了一种水溶性AIE共轭聚合物,并基于该聚合物与钙离子的螯合作用形成较大尺寸的聚集体,依赖内吞途径实现了对成骨分化细胞的特异性成像。进一步完成了对成骨分化过程的动态、实时、可持续观察,并对成骨分化过程没有任何干扰,为细胞的成骨分化检测及相关过程的研究提供了新的解决策略。但该聚合物的小分子模型化合物并没有观测到对成骨分化细胞的特异性成像[4]。由此可见,基于其协同效应,AIE聚合物在生物成像中可以获得小分子材料不具备的特异性及生物兼容性,展现了其在生物成像领域巨大的优势。诊疗领域对于材料的要求则更高,除了生物安全性以及针对病灶部位的特异性,其发光效率和稳定性也是研究的热点。AIE聚合物其结构多样化、可修饰性能够弥补小分子材料在功能复合时的不足,此外,其较高的发光效率赋予其在应用时的高灵敏性。基于前面介绍的超强产生活性氧的AIE共轭聚合物,实现了在微生物及哺乳动物细胞同时存在的情况下,能够选择性只与微生物结合,且细胞毒性实验显示该聚合物对于哺乳动物细胞基本没有毒性,并最终用于体外及活体抗菌研究中;相同条件下,该聚合物的小分子模型化合物跟微生物及哺乳动物细胞均能高效结合,并且对哺乳动物细胞展现出较高的毒性[5]。主要归因于该聚合物链内及链间的协同作用使其具有平衡的亲疏水性,从而赋予其相比于小分子材料更好的选择性及生物兼容性。鉴于AIE聚合物表现出比小分子材料更优异的性能,我们尝试着能不能在生理环境中原位构建AIE聚合物并实现其生物学功能。基于我们发展的自发炔-胺点击反应构建了一个活细胞内自发进行的聚合反应,并制备了分子量为7300的聚合物。羰基活化的炔类单体可以自发地与含四苯基乙烯(TPE)的双胺单体反应,并通过"on-water"效应增强效率,实现了"点亮"型的细胞成像。值得指出的是该细胞内聚合可通过原位破坏微管蛋白和肌动蛋白等结构实现了抗肿瘤的效果,这些都是通过与单一单体或聚合物相互作用无法实现的。因此,我们基于自发的炔-胺点击聚合构筑了"lab-in-cell",通过一步法实现原位聚合并实现了对肿瘤细胞的杀伤,将在生物标记及抗肿瘤等方面有着广阔的应用前景[6]。由此可见,AIE聚合物因为其多功能性和分子内/分子间相互作用赋予的协同放大效应,使得其通常能获得性能更高或者小分子材料不具备的性质,从而在生物医药领域展现出其独特的优势,有望成为新一代的智能型材料。更多还原