浙江大學錢駿團隊Adv. Mater.: AIE材料用于STED超分辨生物成像

Allen 6年前 (2017-10-12) 6358瀏覽

【背景介紹】

熒光顯微成像技術因其高分辨力和低侵入性，已成為生物醫學研究和診療中重要的觀測手段。但是，由于光學衍射極限的存在，傳統的光學顯微術的分辨能力在200 nm左右，無法滿足亞細胞尺度的觀測需求，而超分辨顯微技術則打破了技術瓶頸，實現了超越光學衍射極限的分辨能力。STED超分辨顯微術的發明者Stefan?Hell因這項技術與PALM超分辨顯微術的發明者共同獲得了2014年諾貝爾化學獎，STED顯微術也因其極高的分辨能力而受到廣泛關注。

STED超分辨技術的基本原理如下：一束符合光學衍射極限的激光作為激發光，把熒光探針的電子激發到激發態；另一束激光作為擦除光，其光斑經過調制，中心能量很低，形成類似“甜甜圈”的光斑，被激發光激發后的熒光探針在被擦除光照射后，將發生與擦除光波長相同的受激輻射，只有處于擦除光中心沒有能量的部分會發射熒光。如此一來，發射熒光的半徑是由“甜甜圈”的中心半徑決定的，而不是激發光的半徑決定的，即小于衍射極限半徑。

但是，STED顯微成像對熒光探針的要求極為苛刻，首先，熒光材料需要具備很高的受激輻射效率，這樣一來才能獲得較好的“擦除”效果；其次，熒光材料需要極高的光穩定性，因為一般來說擦除光都是功率很高的激光，如果熒光探針容易被光漂白就無法實現STED成像；除此之外，熒光材料還需要具備較大的斯托克斯頻移，否則如果擦除光能被熒光材料吸收并發射熒光，會極大地影響成像效果。目前上轉換材料、量子點和一些有機染料都被用于STED，但是上轉換材料的熒光壽命太長，使得成像速度很慢，難以實現對生命過程的實時觀察；量子點普遍斯托克斯頻移很小，使得成像效果不盡如人意；傳統的有機染料雖然生物兼容性最好，且靶向性強，但是普遍斯托克斯頻移不大，并且光穩定性不好，難以實現長時間的觀測。為了提高有機染料探針的光穩定性，可以將染料包覆形成局部濃度很高的納米顆粒，但是由于傳統有機染料的聚集熒光猝滅（Aggregation caused quenching， ACQ）特性，使得納米顆粒的熒光效率急劇降低，這就與包覆染料的初衷相悖。

【成果簡介】

北京時間2017年10月4日，浙江大學錢駿教授，香港科技大學唐本忠院士（共同通訊作者）等人在Advanced?Materials上發表了最新研究成果“AIE Nanoparticles with High Stimulated Emission Depletion Efficiency and Photobleaching Resistance for Long-Term Super-Resolution Bioimaging”。該團隊報道了AIE材料聚集誘導熒光（Aggregation induced emission， AIE）納米顆粒用于STED超分辨成像具有得天獨厚的優勢，在錢駿教授于2015年首次提出AIE納米顆粒具有STED超分辨成像潛力后實現了AIE材料在細胞內的STED成像。與傳統有機染料的ACQ效應截然相反，唐本忠院士團隊于2001年發明的AIE材料在高濃度或聚集狀態時熒光效率急劇上升，這使得它的分子聚集后熒光效率高、光穩定性強，加之AIE材料的斯托克斯頻移較大，且兼具有機染料生物毒性小、靶向性高的優勢，非常適合用作STED顯微成像的熒光探針。報道中選用的AIE材料是一種已被用于各種細胞追蹤、靶向標記的“明星分子”，TPE-TPA-FN，其包覆形成的納米顆粒表現出很高的受激輻射擦除效率，在平均功率312.5 mW的皮秒擦除光作用下，能“擦掉”60%的熒光，也因此在后續的細胞實驗中得到了30 nm的高分辨力。更令人驚喜的是，由于其極高的光穩定性，在被峰值功率極高的擦除光連續照射半小時以上后，其熒光強度依然能夠達到初始強度的70％，這意味著它能夠對生命過程進行長時間的、實時的超分辨觀測。

自AIE材料被發明以來，十幾年間，已經被廣泛應用于細胞器靶向、胞內黏度探測、生物大分子的追蹤以及癌癥治療。AIE材料可以被用作超分辨成像探針，無疑是一個重要的發現，它意味著許許多多納米尺度的生命過程可以被觀察、研究，意味著更多生命的秘密得以被人類破解。

本工作在開展期間獲得了上海宇北醫療器械有限公司的大力支持；并得到了國家重點基礎研究發展計劃（2013CB834701和?2013CB834704）、浙江省杰出青年科學基金（LR17F050001）等資助，在此一并表示感謝。

【圖文導讀】

圖1 AIE納米顆粒合成方法