具有聚集诱导发光特性的近红外荧光聚合物的合成及其肿瘤荧光成像性能的研究

The technology of fluorescence-based optical bioimaging provides a direct visual tool for early cancer diagnosis and treatment. Fluorescent probes with intense emission in the near-infrared (NIR) region have high sensitivity in cancer diagnosis due to their minimal interfering absorption and fluorescence from biological substrates. However, most organic fluorophores suffer from an aggregation-induced fluorescence quenching phenomenon, which impede their performance for bioimaging. In addition, the favorable stability of fluorescent probes in the blood circulation system is the key to imaging cancer cells efficiently. Therefore, in this project, we will synthesize a new series of NIR fluorescent amphiphilic copolymers with aggregation-induced emission characteristics, and prepare their nanoparticles with high fluorescence quantum yields, good photostability and excellent antifouling properties. The cell-penetrating peptide TAT and pH-responsive poly(ethylene glycol) (PEG) are attached to the surface of nanoparticles. The PEG presents on the surface of nanoparticles during circulation, which is useful to shielding TAT peptide and preventing nonspecific protein adsorption. Upon exposure to a cancer acidic microenvironment, PEG will be removed and thus the “functional molecule” TAT is exposed, and then TAT will mediate the uptake of the nanoparticles with high efficiency. Thus, targeted cancer imaging will be achieved efficiently by improving the bioavailability and the efficiency of fluorescence imaging.

荧光生物成像技术在恶性肿瘤的早期诊断及治疗领域有着广阔的应用前景。其中，近红外发光的荧光标记材料可有效避免生物组织的光吸收和自发荧光的干扰，有助于提高荧光成像的灵敏度。然而，有机荧光分子普遍存在聚集荧光淬灭的问题，限制了其在荧光生物成像方面的应用。除此之外，提高荧光标记材料在血液循环系统中的稳定性是有效标记肿瘤细胞的关键。因此，本项目拟设计合成具有聚集诱导发光特性、近红外发光的两亲性聚合物，制备荧光量子效率高、光稳定性强、抗蛋白质非特异性吸附的纳米粒子。在纳米粒子表面引入细胞膜穿透肽TAT肽和pH响应的PEG外壳，利用PEG外壳隐藏TAT肽，同时，提高纳米粒子的抗蛋白吸附能力；当在肿瘤细胞间隙微酸环境的刺激下，PEG外壳自动去除，露出功能分子TAT肽，准确、高效地标记肿瘤细胞，进而提高纳米粒子的生物利用率和荧光标记效率。

高固态发光的深红/近红外荧光分子的研究是一项具有挑战性的工作。在目前所报导的有机荧光材料中，深红/近红外光区（λ=650–900 nm）发光的荧光分子在生物成像领域扮演着至关重要的角色。最近，具有聚集诱导发光性质的荧光分子由于能够直接解决传统荧光染料的聚集诱导淬灭问题而引起了广泛的关注。这种具有聚集诱导发光特性的荧光分子在荧光生物成像以及生物传感器方面具有广阔的应用前景。.光动力治疗是一种非侵入性的治疗手段，现在已经被运用到多种恶性肿瘤的治疗方案中。光动力治疗的疗效与光敏剂在细胞内的作用位点息息相关，因此，把光敏剂运输到亚细胞结构中对提高光动力治疗的疗效有着尤为重要的意义。线粒体被视为细胞的动力工厂，在光动力治疗的初期所产生的活性氧可以造成线粒体的破坏，从而进一步诱导癌细胞凋亡，使治疗效果达最大化。.在本项目中，我们合成一系列具有聚集诱导发光性质的，高固态发光的深红/近红外荧光分子。其中，发光范围在深红/近红外光区化合物的固态荧光量子效率高达0.49。进一步研究表明，这种聚集诱导发光分子能够在光照射条件下产生具有细胞毒性的活性氧，促进癌细胞凋亡。随后，进一步构建了一种具有聚集诱导发光特性的交联共聚物。在共聚物纳米粒子表面修饰了三苯基膦功能基团，以实现线粒体的靶向性。在实验过程中，我们将共聚物组装成纳米粒子，该具有聚集诱导发光特性的纳米粒子能够靶向线粒体，可在深红/近红外光区发射荧光并应用于生物成像，其活性氧产生效率高达77.9%。除此之外，我们合成了一种近红外激光驱动的荧光聚合物包覆的上转换纳米粒子。进一步研究表明，这种纳米粒子能够靶向线粒体。随后，进一步检测到纳米粒子在黑暗中具有良好的生物相容性，但在980 nm激光激发下产生具有细胞毒性的活性氧，导致癌细胞死亡，细胞存活率只有10%。这种纳米粒子的AIE特性、亚细胞靶向递送特性和近红外光激发特性等优势有利于优化治疗效果，为其在生物医学领域的应用提供了新的机遇。