脂滴(Lipid droplets, LDs)由磷脂單分子表層和中性脂內核組成,是細胞內中性脂的主要貯存場所,廣泛存在于多種動植物細胞中。近年來的研究發(fā)現,脂滴并非是一個“惰性”的能量貯存器,而是活躍的多功能細胞器,它的異常與肥胖、II型糖尿病、脂肪肝、高脂血癥和動脈粥樣硬化等疾病有著密切的聯系。因此,脂滴的檢測對生物醫(yī)學研究和臨床診斷具有重要意義。
近年來,熒光檢測方法以其高靈敏性、高分辨率、操作簡單和價格低廉等特點逐漸成為生物醫(yī)學研究的重要研究手段。商業(yè)化的脂滴熒光染料主要有尼羅紅(Nile Red)和BODIPY493/503,但是,這些染料仍存在著一些重要的缺陷:熒光背景強和斯托克斯位移小。更糟糕的是,這些傳統(tǒng)的熒光分子還面臨著聚集誘導淬滅(aggregation-caused quenching,ACQ)的問題。ACQ導致這些分子只能在低濃度下使用,在成像中極易因光漂白發(fā)生熒光強度快速減弱。
從2001年聚集誘導發(fā)光(aggregation-induced emission,AIE)的提出至今,香港科技大學的唐本忠院士課題組便致力于利用AIE的概念解決傳統(tǒng)熒光分子面臨的問題,AIE脂滴熒光探針便是其中的一個方面。相比傳統(tǒng)的商用熒光染料,AIE脂滴熒光探針在成像中具有亮度高、斯托克斯位移大和光穩(wěn)定性好等優(yōu)點,能滿足研究中細胞內脂滴的跟蹤與分析的要求。
圖1. 雙光子激發(fā)示意圖。
然而,這些AIE脂滴熒光探針仍然存在激發(fā)波長短的問題,導致在組織切片中具有較強的背景熒光和較低的穿透深度。為了解決這些問題,大量的精力投入到合成長波長激發(fā)的熒光染料,然而成功的例子卻寥寥無幾。該方案主要面臨的挑戰(zhàn)是增大分子間共軛引起合成困難、分子量變大、分子疏水性增強、細胞穿透性降低、紅光量子產率低等問題。另一方面,雙光子激發(fā)在生物醫(yī)學研究和臨床診斷中越來越受歡迎。雙光子激發(fā)是指物質在強激光下同時吸收兩個低能量的光子(一般是近紅外光子)而從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的非線性光物理過程。隨著飛秒泵浦激光器的商業(yè)化,雙光子激發(fā)或熒光成像越來越普及。相比于單光子激發(fā),雙光子激發(fā)具有長波長激發(fā)、較少的自發(fā)熒光、高3D分辨率、較少的光漂白和較深的組織穿透深度等優(yōu)點。若人們能將AIE特征與雙光子激發(fā)的結合起來,構建一個雙光子AIE熒光探針,便可以為脂滴跟蹤和分析提供性能優(yōu)越的生物探針,促進脂滴相關疾病的研究。
圖2. 雙光子AIE脂滴熒光探針的結構、特點及其應用。
圖3. 單光子激發(fā)和雙光子激發(fā)的對比;TPA-BI應用于組織切片中的脂滴成像,雙光子激發(fā)明顯降低背景熒光。
基于課題組前期的知識和經驗積累,在近期的工作中,唐本忠院士課題組設計了一種AIE探針,即TPA-BI,用于脂滴的雙光子成像。TPA-BI分子采用供體-π-受體(donor-π-acceptor,D-π-A)的結構,其中三苯胺不僅是強電子供體,同時還是很好的雙光子分子構建基元,而BI部分則是AIE的構建基元。按照預期,D-π-A結構的TPA-BI由于存在扭曲分子內的電荷轉移(TICT),表現出很強的溶劑化效應,在非極性環(huán)境下熒光藍移增強,可以實現對脂滴非極性環(huán)境的特異性響應。TPA-BI也表現出AIE特征,其斯托克斯位移可達202 nm。TPA-BI可用410 nm的單光子激發(fā),同時也可用840 nm進行雙光子激發(fā),其雙光子吸收截面高達213 GM。實驗證明TPA-BI非常適合于各種活細胞系和固定組織切片中的雙光子成像,兼具AIE和雙光子在成像上的優(yōu)點,優(yōu)于商業(yè)染料。這一成果近期發(fā)表在Chemical Science 上,文章的第一作者是香港科技大學的博士研究生江美娟和顧星桂博士。
論文鏈接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/sc/c7sc01400g
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