荧光成像是追踪生物材料体内分布的重要手段。然而，基于绝对荧光强度的浓度分析易受组织深度、光吸收与散射、微环境及光漂白等因素干扰，通常需要结合信号校准与图像后处理。如何将局部浓度信息编码为具有自参比特征的本征荧光信号，是提升生物成像直观性与可靠性的重要科学问题。

  受费氏弧菌群体感应现象的概念启发，四川大学高分子科学与工程学院丁明明和谭鸿教授团队提出了构象编码多级组装的拟肽聚合物设计策略，将局部聚合物浓度信息转化为本征荧光颜色。具有类β折叠构象的聚合物在水中组装为刚性纳米管；随局部浓度升高，纳米管进一步组装形成球形超结构，伴随荧光由蓝色向橙色转变，发射范围延伸至近红外。基于这一“浓度-颜色”编码机制，团队实现了活细胞内细胞器的多色成像，以及活体动物中聚合物生物分布的颜色可视化，为利用材料自身颜色变化读取体内分布信息提供了新思路。

  2026年10月15日，相关成果以“Peptidomimetic Polymer With Conformation-Coded Hierarchical Assembly for Visualizing Biodistribution”为题发表于《Angewandte Chemie International Edition》。周业强和李双言为共同第一作者，丁明明教授和谭鸿教授为共同通讯作者。

  在分子设计上，团队将L-胱氨酸衍生物与L-赖氨酸衍生物交替共聚，并引入甲氧基聚乙二醇（mPEG）链段，获得拟肽嵌段共聚物mPEG-PUAE。侧链酯基既调节聚合物的疏水性，又通过与主链脲基之间的氢键及 n?π* 相互作用，协同稳定有序构象与羰基聚集结构，为簇发光提供结构基础。作为对照，团队通过改变胱氨酸单元的立体化学组成，制备了PEG-RPUAE。

图1. 构象依赖的光物理与自组装特性

  圆二色谱（CD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表明，mPEG-PUAE形成类β折叠有序构象，而mPEG-RPUAE以无规线团为主。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了两者链间相互作用的差异：mPEG–PUAE中羰基与N–H基团的平均间距为2.54 ?，明显短于mPEG–RPUAE的6.88 ?，说明前者更有利于形成链间氢键。其更短的O···C=O接触距离也为n-π*相互作用提供了有利的空间几何条件。这些非共价作用有助于稳定羰基聚集结构、限制链段运动并减少非辐射弛豫，从而增强发光。构象差异进一步影响了组装形貌与光物理行为：mPEG–PUAE形成刚性纳米管，呈现较宽的发射范围；mPEG–RPUAE则形成各向同性囊泡，发光较弱且发射范围较窄。

图2. 浓度驱动多级自组装调控荧光颜色变化

  进一步研究发现，mPEG–PUAE纳米管具有独特的浓度响应行为。在紫外光照射下，随浓度升高，其荧光由蓝色逐渐转变为绿色和橙色，而mPEG–RPUAE未出现类似变化。动态与静态光散射结果显示，mPEG–PUAE组装体的流体力学半径随浓度升高而增大，粒径分布由双峰转为单峰，R_g/R_h比值由约1.30降至0.43，聚集数由17.5增至40.8，提示组装体发生进一步聚集与形貌重组。透射电镜显示，分散的纳米管先排列成束，随后聚集为致密的球形超结构。小角X射线散射则表明组装体整体呈球形、内部保留局部各向异性排列的结构特征，共同揭示了纳米管通过更高层级组装构筑球形超结构的过程。这一高级组装过程伴随着明显的光谱变化：随浓度升高，mPEG–PUAE原有的265 nm吸收峰逐渐演变为237和275 nm双峰，并在328 nm处出现肩峰。新增的长波吸收与荧光红移共同呈现出类J型聚集的光谱响应，表明紧密堆积增强了发光基团间的电子耦合。

图3. 活细胞内多色细胞器成像

  利用多级自组装赋予的荧光调色能力，研究团队开展了活细胞成像。共聚焦成像显示，mPEG–PUAE处理的3T3细胞在不同激发条件下呈现蓝至红的多色荧光，并具有明显的空间异质性。长波长激发下，细胞内出现明亮的荧光斑点，其强度为周围区域的4.8倍以上。共定位分析显示，这些斑点主要位于溶酶体，表明材料被细胞摄取后在溶酶体中富集，与细胞透射电镜的观察结果一致。结合体外浓度依赖的组装行为，这些结果说明纳米管在溶酶体局部富集后进一步组装为球形超结构。

图4. 基于颜色的聚合物分布可视化与量化分析

  研究团队进一步将构象编码的荧光颜色响应应用于活体成像。向C57BL/6小鼠注射mPEG–PUAE组装体后，可观察到多色荧光，发射范围延伸至近红外。短波长激发下，荧光分布相对均匀；长波长激发下，肝脏和胃肠道等区域的信号更为突出。为将颜色转化为浓度信息，团队基于RGB数值建立了荧光颜色-浓度校准关系，并据此对活体及离体器官图像进行半定量分析。结果显示，在所比较的器官中，肝脏的估算浓度最高，胃和肠道次之，肾脏最低，从而以荧光颜色直观呈现了聚合物在不同器官中的富集差异。

  此外，多色荧光还可用于动态追踪材料相关组分的分布与排泄。粪便和尿液中的相关信号在24 h达到峰值，随后至72 h逐渐降低，说明材料相关组分可经粪便和尿液排出。生物安全性评价显示，在所测试剂量和观察期内，小鼠体重及肝肾功能相关血清指标未见显著变化，主要脏器H&E染色未见明显组织病理学损伤，证明该材料的体内生物相容性。

  该研究通过构象调控的多级自组装，构建了具有本征自参比发光特性的脂肪族拟肽聚合物，将局部聚合物浓度信息转化为荧光颜色，实现了体内分布的直观、半定量可视化。这一 “浓度颜色” 编码策略建立了高分子构象、组装结构与光学信号之间的联系，为自参比成像材料的设计提供了新思路，在生物传感、定量生物成像及药物递送等领域具有广阔的应用前景。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.1895737