聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料：生物醫(yī)學(xué)成像中的新視野

作為一種先進的手段，生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)能夠精確捕捉生物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、功能及代謝信息。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這項技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，在疾病的診斷與監(jiān)測方面，醫(yī)生們依賴生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)來識別腫瘤、心血管疾病以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。這些圖像不僅有助于醫(yī)生對病情進行準(zhǔn)確判斷，還能監(jiān)測疾病的發(fā)展態(tài)勢以及評估治療效果。此外，在藥物研發(fā)過程中，生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)也扮演著舉足輕重的角色?；谠摷夹g(shù)，科學(xué)家們能夠直觀地觀察藥物在動物模型或人體內(nèi)的分布、代謝及效果，從而極大加速新藥的開發(fā)速度并降低研發(fā)成本。值得一提的是，生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)為科學(xué)家們提供了深入研究疾病發(fā)生機制的窗口：能夠更深入地探索病理生理過程，為疾病的預(yù)防和治療提供堅實的理論支撐和實驗依據(jù)。這推動了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進步，特別是對于個性化醫(yī)療——基于患者的個體差異和病情特點，制定出更加精準(zhǔn)的治療方案，從而提高治療效果并提升患者的生存質(zhì)量。

生物醫(yī)學(xué)成像通常通過各種成像設(shè)備來實現(xiàn)，如X射線、超聲波、磁共振成像（MRI）、計算機斷層掃描（CT）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、單光子發(fā)射計算機斷層掃描（SPECT）、光學(xué)成像，等等。這其中，光學(xué)生物醫(yī)學(xué)成像，特別是基于熒光的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，憑借著非入侵式、高時空分辨率、實時成像、多模態(tài)成像等優(yōu)勢，已經(jīng)成為基礎(chǔ)研究、臨床診斷不可或缺的工具。

在光學(xué)生物成像領(lǐng)域，多代科學(xué)家曾倚重傳統(tǒng)熒光材料，包括有機熒光染料和無機熒光材料，對其研究目標(biāo)進行觀測。然而，隨著對生命科學(xué)研究的深入，這些傳統(tǒng)材料在檢測靈敏度、亮度和光穩(wěn)定性等方面顯現(xiàn)出一定的局限性。因此，為推動該領(lǐng)域技術(shù)的進步，亟需涌現(xiàn)一類新型熒光材料。在這一背景下，聚集誘導(dǎo)發(fā)光（aggregation-induced emission， AIE）材料應(yīng)運而生，構(gòu)成了一種全新的熒光材料體系。AIE是一種有別于傳統(tǒng)發(fā)光的熒光現(xiàn)象，因此AIE材料展現(xiàn)出有別于傳統(tǒng)熒光材料的特性，可顯著提升生物檢測和熒光成像的靈敏度、特異性和分辨率。可以說，AIE材料在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域嶄露頭角，成為一匹技術(shù)上的“黑馬”。

在單分散狀態(tài)下，AIE材料表現(xiàn)出較低的熒光強度；然而，一旦發(fā)生聚集，其熒光強度顯著提升。這種“越聚集越亮”的特性是AIE材料與其他材料最顯著的差異之一。在此基礎(chǔ)上衍生出的其他特性，如免洗和高穩(wěn)定性等，共同使AIE分子成為更適合生物醫(yī)學(xué)成像的熒光材料。生物醫(yī)學(xué)成像的對象主要是生物樣本，復(fù)雜的前處理過程會極大地影響成像的靈敏度與準(zhǔn)確性。為了最大程度還原或保留生物樣品的信息，減少對其處理的步驟是一種簡單、經(jīng)濟且高效的手段，AIE材料的免洗優(yōu)勢正好符合這一需求。AIE材料只有在生物樣本上聚集時才會產(chǎn)生強烈的熒光信號，而在其他位置保持“黑暗”，因此具有較高的信噪比，無須在樣本前處理過程中進行多次洗滌，對生物樣本更加友好。另外，相較于傳統(tǒng)的熒光染料，AIE材料在工作時通常處于聚集態(tài)，能夠更好地抵擋激光照射引發(fā)的材料破壞，因此具有更好的光穩(wěn)定性和更廣的成像濃度范圍，能夠在長時間的掃描成像中保持穩(wěn)定的信號輸出，為動態(tài)過程的觀察提供了便利。

看透細胞的“超級眼睛”——AIE細胞成像探針

在生命科學(xué)領(lǐng)域，研究者常常需要深入單個細胞內(nèi)部，觀察和研究細胞器的動態(tài)和功能。然而，細胞器的體積微小，且分布密集，這給研究者的觀察帶來了極大的挑戰(zhàn)。細胞器作為細胞內(nèi)的基本功能單元，其形態(tài)和動態(tài)變化對于理解細胞生命活動至關(guān)重要。傳統(tǒng)的熒光顯微技術(shù)為細胞器成像提供了有力工具，但熒光物質(zhì)的性能仍需進一步優(yōu)化。AIE材料免洗、高穩(wěn)定性、越聚集越亮的特點在細胞器成像領(lǐng)域有極為突出的優(yōu)勢，研究者可以通過精密的分子調(diào)控，使得AIE材料能夠快速穿透細胞膜，進入細胞內(nèi)部，而AIE材料上特定的靶向基團如三苯基膦、嗎啉及AIE分子獨特的結(jié)構(gòu)則可以將材料牽引到特定的細胞器上，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)的定位和成像[1]。

在細胞器成像研究中，盡管羅丹明、熒光素等傳統(tǒng)熒光材料仍被廣泛使用，但基于AIE性質(zhì)開發(fā)的探針往往具有寬成像濃度范圍、高抗漂白能力以及免洗等優(yōu)勢，更適合用于細胞器的長期動態(tài)追蹤。例如，線粒體作為細胞中的“能量工廠”，其結(jié)構(gòu)與功能的完整性對維持細胞正常生理活動至關(guān)重要。眾多疾病，特別是神經(jīng)系統(tǒng)疾病和代謝性疾病，均與線粒體功能的異常緊密相關(guān)。借助AIE線粒體靶向熒光探針，研究者能夠清晰地揭示其微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化，并進一步分析線粒體的形態(tài)動力學(xué)[2]、膜電位波動[3]等關(guān)鍵特征，做到疾病的早期診斷。除此之外，AIE線粒體靶向熒光探針在藥物篩選和治療監(jiān)測方面也展現(xiàn)出巨大潛力。通過觀察線粒體的狀態(tài)變化，研究人員可以評估藥物對細胞能量代謝和線粒體功能的影響，從而篩選出具有潛在治療效果的藥物。溶酶體作為細胞的“廢物處理中心”，負責(zé)細胞內(nèi)廢棄物和老化細胞器的分解與消化，利用AIE溶酶體探針可以使其結(jié)構(gòu)在細胞內(nèi)得以清晰呈現(xiàn)。通過結(jié)合不同顏色的AIE熒光染料，研究人員可以同時標(biāo)記線粒體和溶酶體，并利用熒光顯微鏡觀察它們之間的融合過程[4]。

值得注意的是，隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展進步，細胞器熒光探針的應(yīng)用已不僅限于人體活細胞的成像，研究人員正不斷為其賦予新的用途，使其與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)形成互補，并在疾病的診斷和治療中發(fā)揮不可或缺的作用。例如，有研究表明，核酸染料可以用于血細胞分析用染色液的開發(fā)，細胞線粒體熒光探針也可以用于精子線粒體染色。

病原體的“驗鈔機”——AIE微生物成像探針

微生物遍布于我們的環(huán)境，其中許多微生物在人體內(nèi)形成微生態(tài)系統(tǒng)的一部分。在這個微生態(tài)系統(tǒng)中，一些微生物可看作是人體的“共生伴侶”，例如正常生理狀態(tài)下存在的微生物菌群。這些微生物在協(xié)助人體消化食物和合成所需營養(yǎng)物質(zhì)方面發(fā)揮著重要作用。然而，也存在一些可被視為“寄生異客”的微生物，如病毒和致病菌，它們在侵襲人體后可能引發(fā)多種疾病。為了維護人體健康，必須持續(xù)監(jiān)測微生物的存在和狀態(tài)，以及時察覺并應(yīng)對潛在問題。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要一種能夠高效“審視”微小微生物的高分辨顯微技術(shù)，而AIE技術(shù)就是其中之一。

在臨床診斷、藥物開發(fā)、食品加工和環(huán)境科學(xué)等多個領(lǐng)域，快速檢測細菌具有重要的實用價值。相較于傳統(tǒng)的細菌檢測和鑒定方法，如標(biāo)準(zhǔn)平板計數(shù)法、PCR和高分辨率顯微鏡，基于熒光的方法提供了一種更為簡便的途徑，實現(xiàn)了直接的實時細菌檢測和鑒定。而實現(xiàn)這種技術(shù)的關(guān)鍵在于開發(fā)具有高靈敏度和特異性的熒光染料。多項研究表明[6]，使用帶正電的AIE熒光染料可以輕松實現(xiàn)對細菌的熒光檢測。然而，熒光染料上過多的正電荷可能引起細菌狀態(tài)的嚴重改變，同時，基于靜電吸附的熒光標(biāo)記會對所有微生物進行染色，無法做到特異性，因此，基于另外一種原理的AIE材料——含有TPE核心的硼酸類化合物（TPE-2BA），被開發(fā)出來用于死活細菌的鑒別[7]。另外，除了單種細菌的檢測外，多個AIE材料還可以組合到一起形成陣列，一次性對多種細菌進行檢測[8]。

隨著人們對個體健康和環(huán)境安全越來越關(guān)注，AIE材料在輔助醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用正經(jīng)歷著迅猛的發(fā)展。在這一領(lǐng)域，AIE材料大顯身手?；贏IE材料研發(fā)的革蘭氏熒光染色液，能夠通過熒光信號的差異迅速區(qū)分革蘭氏陽性菌和陰性菌。相較于傳統(tǒng)的革蘭氏染色法的四步法，AIE革蘭氏熒光染色液充分利用AIE材料的優(yōu)勢，僅需一步便可獲得更為清晰的圖像。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的微生物雙重?zé)晒馊旧?，可對包含細胞、細菌、真菌等多種成分的復(fù)雜樣品進行熒光多色成像，并通過顏色和形態(tài)對不同組分進行快速區(qū)分。另外，AIE材料還可以與噬菌體進行有機結(jié)合，實現(xiàn)對大腸桿菌、結(jié)核桿菌、沙門菌、銅綠假單胞菌等的精準(zhǔn)識別。

微生物檢測和鑒定是多個領(lǐng)域的一個重要課題，涉及人體健康、環(huán)境安全、食品質(zhì)量等方面。不僅僅是檢驗，隨著人們對“多合一”材料需求的提升，AIE材料在微生物領(lǐng)域的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間，如AIE熒光材料也能實現(xiàn)藥敏檢測、抗菌殺菌等多項功能，還可用于研究微生物的生理和代謝過程，如監(jiān)測微生物的生長、分化、交流、感染等，從而揭示微生物的機制和規(guī)律，為微生物學(xué)和生命科學(xué)提供新的視角和方法。

腫瘤手術(shù)的“GPS”——AIE近紅外成像探針

腫瘤的成像在癌癥研究和臨床實踐中具有深遠的意義，它貫穿了患者治療的整個流程。早期，通過對腫瘤細胞和組織的高分辨成像，可以及早發(fā)現(xiàn)病變，從而采取更早期、更有效的治療手段，提高治療成功率，降低病死率。治療方案定制期間，通過深入了解腫瘤的類型、分級和分子特征，醫(yī)生可以制定更為精準(zhǔn)的治療方案，選擇最適合患者的治療藥物，減少不必要的治療副作用。治療階段，醫(yī)生可以通過觀察腫瘤的大小、形態(tài)和代謝等變化，及時調(diào)整治療方案，確?；颊叩玫阶罴训闹委?。如果涉及手術(shù)治療，那么腫瘤的成像可用于導(dǎo)航和定位，幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地切除腫瘤組織，最大限度地保留健康組織，降低手術(shù)風(fēng)險。 治療后，成像還對治療效果的評估和患者預(yù)后起到關(guān)鍵作用，幫助醫(yī)生為患者規(guī)劃長期的治療和隨訪計劃。因此，腫瘤的成像可以說為癌癥的研究、診斷和治療提供了不可或缺的技術(shù)手段，而只有熒光成像技術(shù)能夠做到實時成像，為手術(shù)導(dǎo)航和治療監(jiān)測提供及時信息。

腫瘤熒光成像的成功依賴于兩個核心要素：一是熒光材料能夠精確地定位到腫瘤組織；二是這些材料產(chǎn)生的熒光信號足夠強烈，可以穿透深層組織。相較于目前廣泛應(yīng)用的近紅外一區(qū)小分子熒光劑吲哚菁綠（ICG），近紅外二區(qū)的AIE材料不僅展現(xiàn)出更深的組織穿透能力，其獨特的“越聚集越亮”特性更使得AIE材料更適合納米化，它不僅優(yōu)化了成像效果，還結(jié)合了高滲透長滯留效應(yīng)（EPR 效應(yīng)），實現(xiàn)了對腫瘤的精準(zhǔn)靶向，此外，研發(fā)人員通過靈活調(diào)整包裹劑的種類和納米粒子尺寸，實現(xiàn)了血液滯留時間的調(diào)控。

納米工程的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在納米制劑的制備上，更在于其多組分特性以及進一步加工后所能獲得的額外功能。以膀胱癌研究為例，AIE材料與化療藥物順鉑的結(jié)合形成了一種創(chuàng)新的多組分抗癌材料。這種材料不僅能被膀胱癌細胞高效吸收，而且在還原酶的作用下能夠釋放鉑（Ⅱ），從而確保化療的有效性。此外，結(jié)合近紅外熒光成像引導(dǎo)的光增強癌癥化療（PECC）技術(shù)，可以顯著提高膀胱癌對順鉑化療的敏感性，同時減少副作用[10]。除此之外，通過對納米制劑進行表面修飾，可以賦予其新的特性。例如對納米粒子進行蛋白修飾，在利用EPR效應(yīng)實現(xiàn)腫瘤富集的同時，進一步通過表面蛋白修飾，如添加腫瘤特異性的靶向蛋白，顯著提升了納米粒子的腫瘤靶向性。

AIE近紅外成像材料更大的應(yīng)用價值在術(shù)中監(jiān)測。對于外科醫(yī)生而言，外科手術(shù)往往如同是在黑暗環(huán)境中進行的精細修復(fù)工作，任何疏忽都可能造成不可逆的損傷，這通常需要主刀醫(yī)生具備豐富的臨床經(jīng)驗。AIE分子探針能夠在術(shù)中實時標(biāo)記癌細胞，通過熒光信號的引導(dǎo)，醫(yī)生能夠迅速且清晰地識別出病灶部位與正常組織的界限[11]。這種技術(shù)為外科手術(shù)提供了“地圖”般的指引，顯著減少了盲目操作的風(fēng)險。此外，熒光影像技術(shù)還能對手術(shù)過程進行實時成像，幫助醫(yī)生精準(zhǔn)判斷需要進一步加強處理的區(qū)域，從而避免了患者的不必要多次創(chuàng)傷?？梢哉f，AIE近紅外成像材料的引入，大幅降低了手術(shù)對醫(yī)生經(jīng)驗的要求，不僅提高了外科手術(shù)的精準(zhǔn)度和速度，還極大地增強了手術(shù)的安全性，為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展帶來了革命性的進步。

小分子“探測儀”——AIE小分子探針

小分子是指分子量較小的有機或無機化合物，如金屬離子、體內(nèi)的活性分子等。這些小分子在生物體內(nèi)起著重要的作用，如調(diào)節(jié)細胞的生長、分化和凋亡，參與代謝和信號傳導(dǎo)等。除了影響人體健康外，一些有危害的小分子如爆炸物、劇毒性物質(zhì)，也對公共安全產(chǎn)生了很大威脅。對這些小分子的常規(guī)檢測方法——液相和氣相色譜法、質(zhì)譜法，通常需要昂貴的儀器。而最近幾十年來，分析化學(xué)領(lǐng)域取得了巨大進展，不僅能夠使用先進的儀器進行高靈敏度的化學(xué)分析，還涌現(xiàn)了許多新型的小分子“探針”以實現(xiàn)低成本的檢測。其中，AIE材料形成的聚集態(tài)具有高靈敏度和選擇性，為便捷的現(xiàn)場檢測提供了新的可能性。

AIE材料可以檢測的小分子種類繁多[12]，針對生物體內(nèi)的小分子，其檢測方式可以分為兩種：對血液、尿液等生物樣本，可以進行體外檢測；基于熒光的非侵入性特點，在細胞、組織、器官甚至整個生物體內(nèi)進行體內(nèi)檢測，這種原位的小分子檢測更具有生物學(xué)意義。AIE材料大多數(shù)可以進行第二類檢測，比如一些炎癥探針——H2O2探針，可以在細胞水平上對環(huán)境中的過氧化氫進行監(jiān)測。而針對生物體外的小分子，則可以在溶液或者氣體環(huán)境中進行檢測（上述第一種方式），如檢測飲用水中包括重金屬在內(nèi)的污染物等。此外，還可以將AIE材料制成檢測紙狀的材料用于檢測氣態(tài)的污染物，如腐敗食物散發(fā)的胺類物質(zhì)等。

小分子檢測是分析化學(xué)領(lǐng)域的一個重要課題，涉及生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、公共安全等多個領(lǐng)域。小分子的檢測方法有很多，但是傳統(tǒng)的儀器分析方法往往需要高昂的成本、復(fù)雜的操作和長時間的等待。為了實現(xiàn)快速、靈敏、簡便和低成本的小分子檢測，近年來出現(xiàn)了許多基于熒光的小分子探針，其中AIE材料因具有高效的熒光發(fā)射、良好的生物相容性和多樣的功能化方式，成為一種非常有前景的小分子檢測平臺。雖然AIE材料在小分子檢測方面的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些重要成果，但是仍然存在一些挑戰(zhàn)和問題，例如，提高探針的穩(wěn)定性和特異性、降低探針的毒性和干擾、擴大探針的檢測范圍和靈敏度，以及實現(xiàn)探針的可視化和信號放大等。這些問題需要進一步的研究和探索，以期開發(fā)出更加高效和智能的AIE材料，為小分子檢測提供更多的可能。

未來展望

自2001年唐本忠教授及其研究團隊首次揭示AIE材料以來，這類材料憑借其異常的光學(xué)特性和廣泛的應(yīng)用前景，在材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像、光電子學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域引發(fā)了濃厚的研究興趣。傳統(tǒng)染料在稀溶液中展現(xiàn)出較強的熒光，卻在聚集態(tài)時遭遇熒光猝滅，而AIE材料則在聚集形態(tài)下展現(xiàn)出顯著的熒光增強，這一獨特性質(zhì)極大地增強了其在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用價值。在過去20多年的發(fā)展中，AIE材料逐漸被科學(xué)研究者所接受，并應(yīng)用于基礎(chǔ)及臨床研究，并在細胞器成像、微生物檢測及抗菌材料開發(fā)、腫瘤細胞檢測及消融、小分子檢測等領(lǐng)域取得了一系列成果。

未來，AIE材料有望在醫(yī)學(xué)診斷、生物醫(yī)學(xué)研究和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。AIE材料的獨特?zé)晒馓匦詾樯镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了創(chuàng)新的技術(shù)手段，支持精準(zhǔn)醫(yī)療、疾病早期診斷和治療，同時在環(huán)境監(jiān)測和生物分析等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。然而，要充分發(fā)揮AIE的優(yōu)勢，科學(xué)家們需要不斷探索與優(yōu)化，包括精準(zhǔn)控制AIE探針進入特定的細胞/組織區(qū)域，提高材料的生物相容性，設(shè)計更多特異性探針以監(jiān)測更多生物過程，以及克服多靶標(biāo)成像的技術(shù)難題，等等。這些挑戰(zhàn)的解決不僅需要材料學(xué)科的努力，更是需要與其他學(xué)科如生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理科學(xué)等的交叉和融合，以實現(xiàn)更高效、更安全的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

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關(guān)鍵詞：聚集誘導(dǎo)發(fā)光 細胞成像 微生物成像 近紅外成像小分子探針 ■