聚集诱导发光生物检测新技术在临床诊疗中的应用

作者:沈佐君 刘榴 2022-06-01
作者单位:合肥市,中国科学技术大学附属第一医院检验科/安徽省立医院检验科

沈佐君 , 医 学博士,一级 主任技师,教 授,博士生导 师。中国科学 技术大学附属 第一医院(安 徽省立医院) 医学伦理委员会主任委员兼办公室主 任。主要研究方向:外泌体中非编码 RNA作为肿瘤诊断标志物及其机制研 究;外周血中循环肿瘤细胞的捕获、鉴 定及其在肿瘤的诊断治疗和监测中应用 研究;人体中生物活性物质的结构异构 体与疾病的关系研究。学术兼职:中国 医学装备协会临床检验装备技术专业委 员会副会长;中国医师协会临床检验专 业委员会常委;中国医院管理协会临床 检验专业委员会常委。承担国家科技部 重大专项分课题、国家自然科学基金面 上项目和安徽省自然科学基金共7项。 获安徽省级科学技术二等奖2项,三等 奖4项,在国内外发表文章130余篇。 第八届国家卫生计生突出贡献中青年专 家,享受国务院政府特殊津贴。


刘榴,博士, 毕业于中国科 学技术大学, 现于中国科学 技术大学附属 第一医院南区 检验科任助 理研究员。主 要研究方向为聚集诱导发光在生物医 疗领域的应用。研究工作发表于ACS  Applied Materials & Interfaces等杂 志。主持国家自然科学基金一项,获安 徽省博士后科研资助一项。担任中国生 物化学与分子生物学会临床医学专业分 会委员。


在生命科学研究领域,荧光材料的应用扮演了重要的角色, 因其具有实时成像,生物相容性好,灵敏度高等优点[1]。但是传 统的荧光材料也具有一定的缺陷,比如光稳定性差,高浓度下易 发生淬灭(Aggregation-caused quenching,ACQ)等。而聚集 诱导发光(Aggregation induced emission,AIE)的出现弥补了 传统荧光材料的诸多不足之处,聚集诱导发光这一概念由唐本忠 院士等人于2001年提出,与传统荧光材料相反,聚集诱导发光材 料在溶液中几乎不发出荧光,而在聚集的状态下能够发出强烈的 荧光。其发光原理基于荧光分子内含有的基团在溶剂中可以进行 自由的转动或者振动,而当荧光分子浓度增高时,聚集状态使得 分子内部的运动受到了限制,因而以辐射的方式输出能量,最终 表现出强烈荧光[2, 3]。


聚集诱导发光材料因其独特的荧光性质在生物医疗,化学传 感,环境监测等领域成为了研究的热点。近十年来,聚集诱导发 光在生物医疗领域的应用极为突出,研究人员可通过对AIE分子 进行巧妙的设计,发展出不同结构的新型AIE荧光分子。如通过赋予其靶向的特性,使其应用到细胞成像,药物运输,肿瘤治疗等方面。抑或 是通过改变发光基团的化学结构使其能够实现血管或者脑部的深部成像[4]。




聚集诱导发光在细胞水平的成像


生物医疗领域的基础研究大多需要从微观的细胞水 平开始,AIE的发展为细胞成像提供了新的手段。AIE分 子不仅能够对细胞的微观结构进行成像,还能对细胞质 中的蛋白质,脂质,活性酶,核酸等微小的分子进行示 踪。整合素αvβ3是肿瘤细胞膜上特异性表达的分子,它 在肿瘤的生长迁移中行使关键作用,并且它的表达量与 疾病的侵袭力密切相关。Shi等人设计了一个以 四苯基噻咯(TPS)为核心的AIE分子,双侧炔 基通过化学反应链接了两个与αvβ3具有高亲和 力的环状RGD分子(cRGD),得到能够靶向表达 了αvβ3的肿瘤细胞表面的TPS-2cRGD。该分子在 溶液中不发出荧光而在与结肠癌细胞HT-29共孵 育之后,能够通过cRGD与细胞膜上的αvβ3进行 识别结合作用,由于结合后TPS分子运动受限, 从而发出了强烈的绿色荧光。因此,TPS-2cRGD 不仅能够对表达了αvβ3的肿瘤细胞进行实时成 像,还能够对不同αvβ3表达水平的肿瘤细胞进 行鉴别[5]。 核酸的检测在基因工程,犯罪学取证以及 生物信息学等方面具有重要的作用。传统染料 如溴化乙锭(Ethidium bromide,EB)是目前凝 胶电泳实验中最常用的DNA染料,通过插入DNA 双链而发出荧光。但是它具有很强的致癌性,存在一定的安全隐患。其他商品化的DNA染料大多需要溶解在DMSO 中,而DMSO具有较强的渗透性,易通过渗透进入皮肤。因此,开发 出安全高效的DNA探针迫在眉睫。Hong等人设计出了一系列基于四苯 基乙烯的衍生物TTAPE分子,此类探针具有AIE的特性,当接触到DNA 分子即被点亮,发出荧光。TTAPE可对固定后的细胞核进行染色,该 方法简单快速,还可用于细胞分裂过程中不同时期的观察[6]。由于 TTAPE具有的AIE特性,它们对于DNA的染色具有较强的发光效率及光 稳定性。随着研究工作的不断深入,目前已有多种具有不同功能特 性的AIE型DNA染料相继诞生。

聚集诱导发光用于深部组织成像


生物成像技术在生物医学领域和临床实践中具有 重要意义,由于组织对可见光的强散射作用,致使 穿透深度达不到预想的效果,无法进行深部组织的 观察[7]。基于AIE探针的三光子荧光(Three-photon  fluorescence,3PF)成像技术为深部组织以及血管 成像提供了新的可能。近期发表的一篇研究性论文 中,使用DSPE-PEG2000将DPA-NZ分子进行包裹形成具 有AIE特性的纳米颗粒,优化后的分子在近红外III区 (NIR-III,1600-1870nm)的激发下能够在近红外I 区(NIR-I,700-950nm)产生发射。在小鼠的体内实 验中,该AIE探针可实现深度1700μm内的脑血管的成 像,并且能够清楚的观测到2.2μm直径的微血管,该研 究为3P AIE在脑血管系统的应用奠定了研究基础[8]。


除此之外,目前已经开发出多种具有AIE效应 的近红外材料可用于深部肿瘤以及子宫疾病的观 测,并且首次在非人灵长类动物食蟹猴体内的深 部血管成像取得了突破性成果[9-11]。



聚集诱导发光在疾病诊疗一体上的新突破


外泌体(Exosome)是由机体内大部分细胞分泌 的微小囊泡结构,直径大约在50-100nm左右,大量研 究指出外泌体可以参与到细胞通讯,机体免疫以及肿 瘤侵袭等方面[12]。对外泌体进行改造,使其能够针对 特殊类型的细胞或者组织进行靶向药物递送是目前的 研究热点。因此,外泌体与AIE的结合也应运而生, 将具有靶向治疗作用的外泌体与具有示踪作用的AIE 分子合二为一,便可以实现“诊疗一体化”的目标。 研究人员获取具有肝脏组织修复能力的间充质干细胞 (Mesenchymal stem cells,MSC),通过体外与 DPA-SCP分子进行孵育,将其包覆到外泌体的表 面,获得了一个全新的结构AIE-EVs。在细胞水 平,DPA-SCP能够对胞质中的外泌体进行有效的标 记,在与商品化的外泌体染料PKH-26以及Dil进行 对比时发现,DPA-SCP能够实现更长时间的示踪, 并且在细胞内不产生明显的团聚现象。在小鼠急 性肝损伤模型(Acute liver injury,ALI)中, AIE-EVs能够快速聚集到肝脏部位,在小动物成像仪下可明显观测到肝脏部位发出的强烈荧光,局部滞留时间可达 7天以上。另外,AIE-EVs能够降低肝脏部位的炎症反应,并且能 够促进细胞增殖,增强组织修复作用[13]。




光 动 力 治 疗 ( P h o t o d y n a m i c  therapy,PDT)是一种比较新颖的局部 微创疗法,光敏剂在特定光线的照射 下,产生具有细胞毒性的活性氧(主要 是单线态氧),从而达到杀死病灶细胞 的效果[14]。将光动力治疗与AIE巧妙结 合,设计出的具有多功能的智能AIE PSs 分子,不仅能够通过被动靶向定位到胆 管癌组织部位,还能在适当波长照射后 在肿瘤部位发出强烈荧光实现原位成 像。AIE PSs在光照下又能产生活性氧, 杀死局部肿瘤。该方法不仅能够解决传 统治疗选择性差,效率低等缺陷,还具 有较高的生物相容性。这为AIE在肿瘤的 诊断和治疗上提供了新的策略[15]。


聚集诱导发光在临床检测上的应用


人血清白蛋白(Human serum albumin,HSA)在维持血管内渗透压、清除自由 基、凝血和伤口愈合等方面发挥着重要的生理作用。血清中HSA的水平反映了人体 的健康状况,而尿液中的HSA含量与糖尿病、高血压、肾功能等疾病紧密关联[16]。 因此体液白蛋白的检测对疾病的早期诊断以及干预具有重要价值。传统上通过比色 的方法对HSA进行检测,但是存在灵敏度不足、成本高、储存期短等缺陷。Tu等人 设计出以TPE为核心的AIE分子TPE-TAs,该分子在没有HSA的溶液中不产生荧光,而 当溶液中加入了HSA后,TPE-TAs产生的荧光随着HSA的浓度增加而增强,并且与目 前已有的检测方法相比具有更低的检出限(0.21-0.31nM)。为了验证TPE-TAs在临 床检测中的可行性,研究人员收集了病人尿液作为检测样本,以浊度分析法作为标 准参考,将二者结果进行对比后,得到了极高的线性相关性。因此,此类具有高灵 敏度,快速响应,低成本的AIE探针在临床检测上具有广泛应用前景[17]。




血液中同型半胱氨酸(Homocysteine,Hcy)的升高 与心脑血管疾病的发生发展密切相关,目前主要通过液相 色谱对其进行检测,其缺陷在于对检测环境要求很高,并 且难以实现现场快速检测。根据Hcy所含有的巯基而设计 出的TPE-Py分子能够在众多类型的氨基酸溶液中特异的与 同型半胱氨酸产生反应并且产生肉眼可见的荧光色彩的转 变,该检测方法具有选择性强,灵敏度高等优势[18]。 近二十年来,从首次发现并提出概念,经过科研人员 的不断探索创新,聚集诱导发光已经在各个领域发光发 热。尤其是在生物医学领域得到了广泛的关注,目 前在肿瘤的诊疗,血管成像,影像引导治疗等方面 显示出巨大的潜力。与此同时,AIE材料也面临着巨 大的挑战,仍有许多潜在的问题需要解决。首先, 需要对AIE材料的生物安全性进行全面的评估,着力 开发具有高生物相容性的新型材料。其次,将AIE分 子多功能化,在疾病的诊断和治疗上达到协同的效 果[19-21]。机遇与挑战并存,我们相信未来聚集诱导 发光会吸引更多的研究人员参与其中,在生物医疗 领域创造更为广阔的前景。


参考文献:

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