高性能功能微球：聚集誘導(dǎo)發(fā)光在疾病診斷領(lǐng)域的應(yīng)用

胡亞新 謝莉 劉勇 王志明

人體疾病往往伴隨著相應(yīng)指標(biāo)的異常，許多生物標(biāo)志物猶如哨兵，在疾病早期便通過各項(xiàng)異常來警醒人們。然而，有許多危及生命的疾病在早期時(shí)很難檢測(cè)到，隨著時(shí)間的推移，逐漸惡化并對(duì)生命健康構(gòu)成威脅。因此，與疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物的早期檢測(cè)和識(shí)別，對(duì)人類健康具有重要意義[1]。

量化目標(biāo)生物標(biāo)志物的傳統(tǒng)方法往往依賴于復(fù)雜的凈化過程、昂貴的設(shè)備和資源密集的分析方法（如CT、核磁共振、質(zhì)譜等）[2]。如能尋找到簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確、具體的策略，將有助于有效量化目標(biāo)生物標(biāo)志物，從而為臨床診斷和生物醫(yī)學(xué)研究提供可靠的安全保障。酶免疫分析法（enzyme immunoassay， EIA）因操作簡(jiǎn)單、成本低、通量高、指示直觀等優(yōu)點(diǎn)，已成為臨床診斷、食品質(zhì)量和環(huán)境監(jiān)測(cè)中被廣泛認(rèn)可的金標(biāo)準(zhǔn)方法[3]。然而，EIA也存在熱穩(wěn)定性差、壽命短、酶載量有限等問題，進(jìn)而抑制了其在精確診斷，特別是在低濃度生物標(biāo)志物的條件下的應(yīng)用[4]。因此，基于熒光材料的熒光免疫分析法（fluorescence immunoassay， FIA）以其優(yōu)異的靈敏度和較高的準(zhǔn)確性越來越受到關(guān)注，在多種生物分子的檢測(cè)中發(fā)揮了重要作用[5，6]。然而，傳統(tǒng)有機(jī)熒光分子在聚集狀態(tài)下會(huì)發(fā)生猝滅現(xiàn)象，從而限制了其應(yīng)用場(chǎng)景[7]。作為一種新型熒光材料，聚集誘導(dǎo)發(fā)光（aggregationinduced emission， AIE）材料可以兼顧高靈敏度、長(zhǎng)程檢測(cè)和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，展現(xiàn)出痕量標(biāo)志物檢測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐步成為熒光免疫技術(shù)的主導(dǎo)材料之一。

AIE功能微球

AIE功能微球通常采用聚合法、溶脹法來制備[9]，通過調(diào)節(jié)聚合工藝參數(shù)，可以調(diào)控微球粒徑大小、粒徑均一性、表面羧基密度。AIE材料在聚集狀態(tài)下能夠保持高發(fā)光效率，甚至相對(duì)亮度增強(qiáng)。高亮度的熒光微球非常適用于痕量生物標(biāo)志物檢測(cè)。

常用的有機(jī)熒光微球的斯托克斯位移通常較小，吸收波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)之間的距離一般小于50納米。距離越小，意味著光譜重疊面積越大，信號(hào)干擾越強(qiáng)。而AIE熒光材料與納米微球復(fù)合的AIE功能微球的斯托克斯位移可超過100 納米，發(fā)射出的光子不會(huì)干擾激發(fā)能量。在生物檢測(cè)時(shí)，這一特性會(huì)有效降低背景干擾。同時(shí)，AIE功能微球光穩(wěn)定性好，連續(xù)激發(fā)下的熒光衰減程度可以保持在5%以內(nèi)。光穩(wěn)定性主要是指材料抵抗光老化的性能，光穩(wěn)定性越高，表示熒光隨時(shí)間衰減越少。熒光材料的光穩(wěn)定性非常重要，是下游產(chǎn)品開發(fā)過程中批間差控制和產(chǎn)品效期的重要保障。

高靈敏AIE納米材料免疫傳感器

生物分子檢測(cè)是研究身體疾病的重要手段，在許多疾病中，生物分子出現(xiàn)失調(diào)和差異表達(dá)。這些生物分子不僅可以作為潛在的藥物靶點(diǎn)，還可作為生物標(biāo)志物，為疾病的早期診斷和治療提供關(guān)鍵信息。

目前，生物分子檢測(cè)面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)：首先，生物樣品中含有多種干擾分子，增加了檢測(cè)的復(fù)雜性；其次，許多蛋白質(zhì)可能以低濃度存在于生物樣品中，需要高靈敏度的檢測(cè)方法；再次，不同標(biāo)志物的濃度差異可以高達(dá)許多數(shù)量級(jí)，對(duì)檢測(cè)方法的動(dòng)態(tài)范圍提出很高要求；最后，標(biāo)志物經(jīng)歷變異等過程，會(huì)導(dǎo)致各種同分異構(gòu)體的存在，使得檢測(cè)特定分子變得困難或復(fù)雜。

AIE免疫傳感器一直是AIE材料研究和關(guān)注的熱點(diǎn)方向。AIE材料具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)，特別是具有大斯托斯位移、高亮度和耐光漂白性以及可調(diào)的分子設(shè)計(jì)能力。AIE材料包覆在微球內(nèi)部，經(jīng)過微球表面修飾和改性后，適合用于高靈敏免疫傳感領(lǐng)域。

目前，AIE功能微球已廣泛用于腫瘤、炎癥、食品安全和毒品檢測(cè)，具有檢出限低、準(zhǔn)確度高、線性范圍寬、檢出時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)癌癥標(biāo)志物的定量檢測(cè)問題，研究人員將AIE材料包覆到相對(duì)剛性的聚苯乙烯微球中，獲得尺寸從納米到微米可調(diào)的AIE熒光微球，通過偶聯(lián)抗體后，可作為腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)的信號(hào)基元。相較于膠體金和傳統(tǒng)的熒光標(biāo)記材料，AIE信號(hào)穩(wěn)定性更高。例如，與使用藻紅蛋白或商用綠色量子點(diǎn)納米粒作為熒光標(biāo)記的熒光酶聯(lián)免疫吸附法（FLISA）相比，其檢測(cè)靈敏度分別提高了45倍和12倍[10]。

同時(shí)，在不需要復(fù)雜的信號(hào)處理和設(shè)備的情況下，AIE材料可替代傳統(tǒng)酶聯(lián)免疫吸附的顯色劑，從而提高檢測(cè)靈敏度、擴(kuò)大檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。

AIE編碼液相芯片技術(shù)

生物系統(tǒng)是復(fù)雜的有機(jī)組合，幾乎所有的生物現(xiàn)象和反應(yīng)都涉及多類生物分子，如蛋白質(zhì)、核酸、糖及脂類等。這意味著，在分析復(fù)雜的生物過程（如增殖、免疫、代謝）時(shí)，任何僅基于單一因素得出的結(jié)論都是有限的。舉例來說，癌癥標(biāo)志物CA125可以反映乳腺癌或卵巢癌發(fā)生的可能性，而標(biāo)志物CA19-9與肺癌、結(jié)直腸癌、胰腺癌、胃癌有關(guān)。顯然，僅僅檢測(cè)單一的癌癥生物標(biāo)志物并不足以準(zhǔn)確診斷癌癥，因?yàn)榇蠖鄶?shù)癌癥的特征是至少有兩種相關(guān)標(biāo)志物水平的升高。在這些情況下，采用多指標(biāo)生物檢測(cè)，比如編碼液相芯片技術(shù)，是一種有效的策略。液相芯片技術(shù)可以在同一樣本中同時(shí)檢測(cè)多個(gè)生物標(biāo)志物，不僅可以節(jié)省檢測(cè)時(shí)間，還能減少人力和成本的投入。

目前，商業(yè)化液相生物芯片系統(tǒng)如Luminex平臺(tái)和BD公司的cytometric珠陣列等，均使用有機(jī)染料進(jìn)行編碼。然而，傳統(tǒng)有機(jī)材料在聚集狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象，這限制了它們的編碼容量和穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)有機(jī)材料，AIE材料在聚集過程中能實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)的原位增強(qiáng)。同時(shí)，具有大斯托克斯位移、強(qiáng)耐光漂白性、抗磁性等性質(zhì)，是一種優(yōu)異的多功能編碼微球材料。

AIE作為編碼元素材料和信號(hào)放大報(bào)告分子，可針對(duì)5種過敏原實(shí)現(xiàn)高靈敏、多項(xiàng)目的定性和定量檢測(cè)。研究人員利用多孔玻璃膜乳化將發(fā)射波長(zhǎng)在可見光到近紅外范圍內(nèi)的AIE材料加入聚苯乙烯-共馬來酸酐（PSMA）中，構(gòu)建了AIE編碼庫(kù)。同時(shí)，制備出高熒光AIE納米粒子，作為一種新型的信號(hào)放大報(bào)告器[11]。AIE編碼微球和AIE納米粒子在不同的外部環(huán)境條件下都表現(xiàn)出良好的熒光穩(wěn)定性。與藻紅蛋白和量子點(diǎn)納米粒子作為熒光信號(hào)報(bào)告的多重檢測(cè)相比，AIE納米粒子的熒光信號(hào)放大能力分別提高了5倍和3倍。此外，臨床驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也證明了AIE編碼微球液相懸浮陣列具有良好的患者血清樣本檢測(cè)性能，在高靈敏度多重生物檢測(cè)領(lǐng)域有巨大的研究?jī)r(jià)值和臨床應(yīng)用潛力[12]。

基于AIE材料的生物檢測(cè)技術(shù)具備高靈敏度、長(zhǎng)程檢測(cè)和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足當(dāng)前生物標(biāo)志物檢測(cè)平臺(tái)的需求。在標(biāo)志物檢測(cè)信號(hào)放大技術(shù)領(lǐng)域，目前，AIE材料正處于迅速發(fā)展的時(shí)期，如何設(shè)計(jì)低成本、高容量的編碼微球（一次性檢測(cè)幾十個(gè)項(xiàng)目指標(biāo)）、高信噪比納米放大器（能區(qū)分檢出限數(shù)量級(jí)差異的不同指標(biāo)）和高自動(dòng)化處理系統(tǒng)，以及如何適配市面上已運(yùn)行的流水線設(shè)備，將是AIE微球傳感技術(shù)面對(duì)復(fù)雜的體外檢測(cè)環(huán)境應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。

未來，AIE技術(shù)將和人工智能數(shù)據(jù)庫(kù)、光學(xué)成像檢測(cè)設(shè)備結(jié)合起來，進(jìn)一步探索其在單分子診斷、基因序列測(cè)定中的應(yīng)用價(jià)值，構(gòu)建新型熒光材料與檢測(cè)靈敏度、線性范圍之間的構(gòu)效關(guān)系。AIE材料蘊(yùn)含的多種可開發(fā)的機(jī)制——涉及化學(xué)、免疫學(xué)和激光學(xué)相互作用機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)抗磁、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的多指標(biāo)檢測(cè)，有助于拓展其在大健康數(shù)據(jù)建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用，為未來實(shí)現(xiàn)一滴血檢測(cè)身體所有指標(biāo)鋪平道路。

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關(guān)鍵詞：聚集誘導(dǎo)發(fā)光 納米微球 生物標(biāo)志物檢測(cè) ■