细胞是生物体的基本组成单元，人类身体由数万亿个细胞组成，每个细胞都有其特定的功能。同时，细胞由不同细胞器构成，例如细胞膜，线粒体，溶酶体，高尔基体和内质网（Endoplasmic reticulum, ER）等。细胞器的尺寸非常小，而且其膜结构近乎相似，这就使得对细胞器结构和功能的研究变得非常困难。此外，尽管细胞器对于细胞乃至整个身体的运作息息相关，但是对于其参与的具体生物化学过程和通路仍然不是很清楚。然而，目前用于细胞器的研究的技术却很少。细胞荧光成像提供了一种强劲的解决办法，借助荧光成像技术对不同细胞器实现了实时监测和可视化，从而更加直观地研究其结构和功能。然而，靶向特定细胞器的荧光探针的设计和合成仍然具有挑战性。近日，香港科技大学的唐本忠院士团队报道了一个用于设计和合成具有红光发射的AIE探针的高效平台，并系统研究了分子结构与细胞器靶向功能之间的关系。该平台采用具有D-A结构的分子作为核心，其可以轻易地通过官能化来调节对不同细胞器的靶向性。在这项工作中报道的AIEgens具有高达39.3％的量子产率和高达162 GM的双光子吸收截面。其中，两种含有磺酸盐官能团的两性离子AIEgens（CDPP-3SO3和CDPP-4SO3）成功实现了细胞内质网（ER）的单光子和双光子成像。紧接着，作者设计了只含有一个正电荷的官能团替换磺酸盐官能团，得到了新探针（CDPP-BzBr），其表现出线粒体靶向的效果，说明两性离子官能团在ER靶向功能中具有一定的重要作用。这些具有红光发射的荧光探针均表现出优异的光稳定性、良好的细胞相容性以及高的染色效率，有望应用于活细胞细胞器的成像。同时，这一工作也有助于荧光探针构效关系的设计和研究。图1. 两性离子AIEgens靶向细胞内质网原理示意图。在这项工作中设计并合成了三种AIEgens, 分别为CDPP-3SO3，CDPP-4SO3 和CDPP-BzBr，其量子产率分别为39.3%，5.3%和8.3%。CDPP-3SO3和CDPP-4SO3固态的最大发射峰在620 nm左右，CDPP-BzBr固态的最大发射峰表现出红移，在665 nm左右。红光发射和高量子产率的特性使得CDPP系列的AIE探针非常适合用于生物荧光成像。图2. CDPP系列AIEgens的光物理性能数据。作者通过分别用CDPP-3SO3和CDPP4SO3与商用的内质网染料ER-Tracker 共染HeLa细胞来展示了CDPP-3SO3和CDPP-4SO3的内质网靶向功能。结果显示，当染料浓度为1 µM时，CDPP-3SO3和CDPP-4SO3均可以在1 h内实现高效的内质网成像。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）共定位数据表明两种AIEgens与ER-Tracker的Pearson系数高达0.85（CDPP-3SO3）和0.86（CDPP-4SO3），说明这两种AIEgens均可以作为内质网成像的探针。随后，作者使用同样的方法研究了仅含有一个正电荷的CDPP-BzBr的细胞器靶向性能，结果显示CDPP-BzBr和商用的线粒体染料Mito-Tracker有非常高的重合度，其Pearson系数高达0.89，表现出优异的线粒体靶向功能。这进一步说明了两性离子官能团在ER靶向功能中具有一定的重要作用。图3. CDPP-3SO3在HeLa细胞中的激光共聚焦成像。图4. CDPP-BzBr在HeLa细胞中的激光共聚焦成像。此外，作者还进一步研究了CDPP系列AIEgens的双光子细胞成像性能及其光稳定性。由于CDPP系列的AIEgens都具有D-A结构，使得其拥有较强的双光子吸收。光稳定性测试结果显示CDPP-3SO3, CDPP-4SO3 和CDPP-BzBr在连续80次激光扫描后仍具有很好的荧光强度。图5. CDPP系列AIEgens的双光子吸收曲线，双光子细胞成像以及其光稳定性测试曲线。综上，CDPP系列AIEgens具有优异的生物相容性，高选择性，高亮度，低背景和优异的光稳定性，有望应用于细胞成像领域。两性离子AIEgens CDPP-3SO3和CDPP-4SO3成功地应用于各种细胞系的内质网成像，如HeLa细胞和143B细胞。相反，仅带一个正电荷的CDPP-BzBr却应用在线粒体成像。该研究中提出的设计策略表明仅仅通过简单修饰就可以获得具有不同细胞器靶向功能的红色AIE荧光探针，这将有助于新的荧光探针的开发，及其结构-功能关系的研究。以上相关成果发表在《Advanced Functional Materials》 (Adv. Funct. Mater. 2020, 1909268)上。论文的第一作者为香港科技大学博士后Parvej Alam 博士，共同第一作者为香港科技大学在读博士生何威，通讯作者为香港科技大学唐本忠院士。
来源：高分子科学前沿
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