基于芘（pyrene）的AIE活性材料在生物成像与诊疗应用中的研究进展

作者与发表信息
本文由Muthaiah Shellaiah和Kien-Wen Sun（台湾国立阳明交通大学应用化学系）合作完成，发表于2022年7月的期刊《Biosensors》（卷12，第550期），题为《Pyrene-Based AIE Active Materials for Bioimaging and Theranostics Applications》。文章以开放获取形式发布，遵循CC BY 4.0许可协议。

研究背景与主题
本文是一篇系统性综述，聚焦于聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）活性芘基材料在生物成像与诊疗（theranostics）领域的应用。AIE现象是指某些分子在分散状态下发光微弱或无发光，而在聚集状态下发光显著增强的特性，这一特性由分子内旋转受限（RIR）或扭曲分子内电荷转移（TICT）机制驱动。芘作为一种多环芳烃，因其独特的平面四苯环结构和π-π堆积能力，成为设计AIE活性材料的理想骨架。本文旨在总结芘基AIE材料的设计策略、光学特性及其在生物医学中的创新应用。

主要观点与论据

1. 芘基AIE材料的分类与设计原理
   文章将芘基AIE材料分为以下几类：
   
   • 双芘衍生物（Bis-Pyrene, BP）：通过连接基团（如1,3-二羰基、吡啶-2,6-二羰基）调控分子聚集形态，形成J型或H型聚集体（J-aggregate为头尾排列，H-aggregate为面对面排列）。例如，BP1和BP2在含水条件下形成J型聚集体，量子产率（φ）提升至32.6%，而BP3和BP4因H型聚集仅显示微弱发光。
     
   • 聚合物与超分子体系：如温度响应性聚合物PNIPAM与双芘共轭物（C1），通过pH或温度变化触发聚集，实现溶酶体靶向成像。
     
   • 金属有机框架（MOFs）与肽缀合物：如芘修饰的肽链（C6）在Ca²⁺存在下自组装为纳米纤维，用于癌细胞表面定位与杀伤。
     

支持证据包括透射电镜（TEM）显示的纳米颗粒形貌（2–6 nm）、动态光散射（DLS）测定的粒径变化（41.7–138.2 nm），以及荧光光谱中发射峰的蓝移或红移现象。

1. 生物成像应用

   • 溶酶体成像：BP1和BP2纳米聚集体与溶酶体追踪染料共定位（图2b），证实其靶向能力。
     
   • 双光子成像（TPFI）：双芘与近红外染料（如尼罗红）的FRET系统（C5/NR）穿透深度达2200 μm，适用于小鼠软骨成像。
     
   • 光声成像（PA）：芘-花菁染料共轭物（C4）的纳米囊泡在肿瘤模型中信号持续72小时，优于FDA批准的ICG试剂。
     

2. 诊疗一体化（Theranostics）

   • 光热治疗（PTT）：金-双芘纳米杂化体系（Au-BP@SP）在近红外激光下产生38–55.7°C局部高温，杀伤MCF-7乳腺癌细胞。
     
   • 光动力治疗（PDT）：双芘掺杂的二肽纳米颗粒（BP-CDPNP-RB）通过双光子激活产生单线态氧，抑制肿瘤生长（图8）。
     
   • 自噬监测：树枝状肽缀合双芘（DPBP）通过酶切释放芘单元，实现活细胞内自噬相关蛋白酶（ATG4B）的实时成像（图7）。
     

3. 传感与动态响应

   • pH响应：聚合物C1在pH 5–7.4范围内发射峰从527 nm蓝移至418 nm，用于内吞微环境监测。
     
   • 生物标志物检测：Y形DNA探针（C25/C26）通过芘单体-激基缔合物转换，特异性识别miR-21和miR-let 7a，检测限达皮摩尔级。
     

研究意义与价值
本文系统梳理了芘基AIE材料的设计逻辑与应用场景，其科学价值在于：
1. 机制创新：阐明了芘的J/H型聚集与AIE增强的构效关系，为开发新型发光材料提供理论指导。
2. 技术突破：通过FRET、双光子激发等策略，解决了传统荧光探针光稳定性差、穿透深度不足的问题。
3. 临床潜力：诊疗一体化设计（如PTT/PDT联合）为癌症精准治疗提供了新思路。

亮点与创新
- 多功能集成：如C4同时具备光声成像与光热治疗功能，C19（芘-席夫碱）可靶向溶酶体和脂滴。
- 低毒性验证：多数材料在细胞和斑马鱼模型中显示良好生物相容性。
- 动态响应：环境敏感型材料（如pH、GSH响应）实现了活体微环境实时监控。

不足与展望
作者指出，部分研究（如C20–C24染料）未明确验证AIE机制，未来需结合理论计算与原位表征进一步优化。此外，芘基材料的长期毒性和体内代谢途径仍需深入探索。

该综述为AIE活性材料在生物医学领域的转化应用提供了重要参考，尤其推动了芘基发光体系从基础研究向临床实践的跨越。