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唐本忠院士領(lǐng)銜89位學者傾力打造 ACS Nano重磅綜述：AIE，生命與健康
2023-07-26  來源：高分子科技

  聚集誘導發(fā)光（AIE）是發(fā)光領(lǐng)域的一個新興概念，AIE材料具有亮度高、生物相容性好，光穩(wěn)定性強，發(fā)光與濃度正相關(guān)等優(yōu)勢，在生物成像、光動力治療、光熱治療等生命健康領(lǐng)域顯示出巨大的應用潛力。AIE連續(xù)多年入選化學和材料學科熱點前沿和新興前沿領(lǐng)域，并被IUPAC評為2020年國際十大化學新興技術(shù)。


  近期，香港中文大學（深圳）理工學院院長唐本忠院士聯(lián)合國內(nèi)外多個團隊共89名學者系統(tǒng)的論述了AIE在生命與健康領(lǐng)域的最新進展，總結(jié)了AIE材料在生物成像（細胞成像、組織成像、活體成像、病原體成像），疾病診療（癌癥診療、抗菌治療），檢測和監(jiān)控（生物大分子、病毒、食品安全、即時檢驗）等方向的應用。在結(jié)論與展望中，全面討論了AIE在基礎(chǔ)研究和應用研究的機遇與挑戰(zhàn)，重點思考了AIE與大數(shù)據(jù)相結(jié)合可能碰撞出的火花。該綜述以“Aggregation-Induced Emission (AIE), Life and Health”為題發(fā)表在ACS Nano期刊。 



  作者闡述了AIE的概念、機理以及AIE材料目前在生命科學和健康領(lǐng)域的作用，并介紹了AIE材料在生命科學和健康領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)（圖1）。 


圖1. AIE在生命科學和健康領(lǐng)域的重要里程碑。


  自2001年唐本忠院士提出AIE概念以來，經(jīng)過20余年的發(fā)展，科學家們已經(jīng)確立并且廣泛認可了分子內(nèi)運動受限（RIM）是產(chǎn)生AIE特性的主要機制。RIM可以導致分子構(gòu)象剛性化，從而抑制非輻射躍遷途徑（例如振動耦合、錐形交叉和光化學反應等），從而促進發(fā)光增強。隨著對RIM機制的深入理解，發(fā)現(xiàn)一些AIE材料可在光動力治療（PDT）中作為高效的光敏劑（PSs），在光照下產(chǎn)生高毒性的活性氧（ROS），對癌細胞和病原體具有高度殺傷力。


  除了限制分子運動，合理促進和利用固態(tài)分子運動也可作為設(shè)計光熱治療/光聲成像系統(tǒng)的指導方法。通過促進非輻射躍遷，分子可將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱等不可見形式的能量。此外，將PDT與免疫治療、化療和基因治療等其他療法相結(jié)合，可以提高疾病治療效率并克服個體療法的局限性，在臨床研究中顯示出良好的前景。 


圖2. Jablonski diagram以及AIE材料產(chǎn)生熒光、ROS和光熱機理示意圖。


  作者分別從亞細胞器、組織、活體和病原體等不同級別介紹了AIE材料在生物成像方面的應用。除了傳統(tǒng)的單光子熒光成像外，還包括了超分辨成像、二/三光子成像、近紅外成像和長余輝成像等新型成像手段。基于AIE的生物成像已成為理解生命過程的關(guān)鍵工具，有助于進一步發(fā)展診斷和治療方法。 


圖3. 基于AIEgens的近紅外活體成像。


  作者總結(jié)了AIE材料在疾病診療方面的應用。通過分子設(shè)計賦予AIEgens不同功能，可使得分子產(chǎn)生ROS以及光熱特性，有效的殺滅癌細胞與病菌。對于癌癥治療，作者依次討論了AIEgens在光動力療法和聯(lián)合治療方面的作用（圖4）。對于抗菌治療，作者依次介紹了AIEgens對胞外菌和胞內(nèi)菌的追蹤和殺滅。 


圖4. AIEgens對于腫瘤的光動力、光熱聯(lián)合治療。


  隨著醫(yī)學的快速發(fā)展，對生命科學研究逐漸轉(zhuǎn)向微觀的分子水平。生物體內(nèi)存在各種復雜機制的生物活性分子，如氨基酸、酶以及各種活性氧、氮、硫等物種，它們是體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要組成部分。作者總結(jié)了AIE材料在檢測和監(jiān)測生物分子，包括大分子和小分子方面的作用。并且總結(jié)了AIE材料在病毒檢測、食品安全篩查和現(xiàn)場檢測等實際問題上的應用。 


圖5. AIEgens實現(xiàn)病毒檢測。


  最后，作者提出，從光物理現(xiàn)象出發(fā)，經(jīng)過20余年的發(fā)展，AIE已成為一個充滿活力的研究領(lǐng)域。AIE在生命科學和健康領(lǐng)域正在蓬勃發(fā)展，從蛋白質(zhì)、細胞器到組織和活體動物，AIE已涉及臨床診斷、協(xié)同治療、藥物遞送、病理學、康復和精準醫(yī)學等多個方向。此外，作者還著重展望了AIE領(lǐng)域未來可能的研究熱點：一是天然AIEgens在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的潛在應用。天然的AIEgens具有許多優(yōu)點，包括來源廣泛、環(huán)境友好、低成本和藥理活性等，可能會成為AIE領(lǐng)域下一步的研究熱點。二是AIE領(lǐng)域與大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的碰撞，唐本忠院士團隊開發(fā)并建設(shè)了“聚集體科學通用數(shù)據(jù)庫（ASBase）”希望通過大數(shù)據(jù)來實現(xiàn)分子光學性能的高精度理論預測，從而為科研和產(chǎn)業(yè)化提供新的材料性能數(shù)據(jù)預測工具（圖6）。 


圖6. ASBase 數(shù)據(jù)庫頁面（http://www.asbase.cn/）。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03925

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