唐本忠院士领衔89位学者倾力打造 ACS Nano重磅综述：AIE，生命与健康

2023-07-26 来源：高分子科技

聚集诱导发光（AIE）是发光领域的一个新兴概念，AIE材料具有亮度高、生物相容性好，光稳定性强，发光与浓度正相关等优势，在生物成像、光动力治疗、光热治疗等生命健康领域显示出巨大的应用潜力。AIE连续多年入选化学和材料学科热点前沿和新兴前沿领域，并被IUPAC评为2020年国际十大化学新兴技术。

近期，香港中文大学（深圳）理工学院院长唐本忠院士联合国内外多个团队共89名学者系统的论述了AIE在生命与健康领域的最新进展，总结了AIE材料在生物成像（细胞成像、组织成像、活体成像、病原体成像），疾病诊疗（癌症诊疗、抗菌治疗），检测和监控（生物大分子、病毒、食品安全、即时检验）等方向的应用。在结论与展望中，全面讨论了AIE在基础研究和应用研究的机遇与挑战，重点思考了AIE与大数据相结合可能碰撞出的火花。该综述以“Aggregation-Induced Emission (AIE), Life and Health”为题发表在ACS Nano期刊。

作者阐述了AIE的概念、机理以及AIE材料目前在生命科学和健康领域的作用，并介绍了AIE材料在生命科学和健康领域的发展脉络（图1）。

图1. AIE在生命科学和健康领域的重要里程碑。

自2001年唐本忠院士提出AIE概念以来，经过20余年的发展，科学家们已经确立并且广泛认可了分子内运动受限（RIM）是产生AIE特性的主要机制。RIM可以导致分子构象刚性化，从而抑制非辐射跃迁途径（例如振动耦合、锥形交叉和光化学反应等），从而促进发光增强。随着对RIM机制的深入理解，发现一些AIE材料可在光动力治疗（PDT）中作为高效的光敏剂（PSs），在光照下产生高毒性的活性氧（ROS），对癌细胞和病原体具有高度杀伤力。

除了限制分子运动，合理促进和利用固态分子运动也可作为设计光热治疗/光声成像系统的指导方法。通过促进非辐射跃迁，分子可将吸收的光能转化为热等不可见形式的能量。此外，将PDT与免疫治疗、化疗和基因治疗等其他疗法相结合，可以提高疾病治疗效率并克服个体疗法的局限性，在临床研究中显示出良好的前景。

图2. Jablonski diagram以及AIE材料产生荧光、ROS和光热机理示意图。

作者分别从亚细胞器、组织、活体和病原体等不同级别介绍了AIE材料在生物成像方面的应用。除了传统的单光子荧光成像外，还包括了超分辨成像、二/三光子成像、近红外成像和长余辉成像等新型成像手段。基于AIE的生物成像已成为理解生命过程的关键工具，有助于进一步发展诊断和治疗方法。

图3. 基于AIEgens的近红外活体成像。

作者总结了AIE材料在疾病诊疗方面的应用。通过分子设计赋予AIEgens不同功能，可使得分子产生ROS以及光热特性，有效的杀灭癌细胞与病菌。对于癌症治疗，作者依次讨论了AIEgens在光动力疗法和联合治疗方面的作用（图4）。对于抗菌治疗，作者依次介绍了AIEgens对胞外菌和胞内菌的追踪和杀灭。

图4. AIEgens对于肿瘤的光动力、光热联合治疗。

随着医学的快速发展，对生命科学研究逐渐转向微观的分子水平。生物体内存在各种复杂机制的生物活性分子，如氨基酸、酶以及各种活性氧、氮、硫等物种，它们是体内稳态的重要组成部分。作者总结了AIE材料在检测和监测生物分子，包括大分子和小分子方面的作用。并且总结了AIE材料在病毒检测、食品安全筛查和现场检测等实际问题上的应用。

图5. AIEgens实现病毒检测。

最后，作者提出，从光物理现象出发，经过20余年的发展，AIE已成为一个充满活力的研究领域。AIE在生命科学和健康领域正在蓬勃发展，从蛋白质、细胞器到组织和活体动物，AIE已涉及临床诊断、协同治疗、药物递送、病理学、康复和精准医学等多个方向。此外，作者还着重展望了AIE领域未来可能的研究热点：一是天然AIEgens在生物医药领域的潜在应用。天然的AIEgens具有许多优点，包括来源广泛、环境友好、低成本和药理活性等，可能会成为AIE领域下一步的研究热点。二是AIE领域与大数据领域的碰撞，唐本忠院士团队开发并建设了“聚集体科学通用数据库（ASBase）”希望通过大数据来实现分子光学性能的高精度理论预测，从而为科研和产业化提供新的材料性能数据预测工具（图6）。

图6. ASBase 数据库页面（http://www.asbase.cn/）。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03925

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（责任编辑：xu）

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