JACS：合理設計近紅外聚集誘導發射活性探針用于具有超靈敏度和高保真度的淀粉樣蛋白β斑塊的原位成像

【研究背景】

淀粉樣蛋白-β（Aβ）斑塊的高保真成像對早期檢測阿爾茨海默癥至關重要。然而，事實證明通過商業上可獲得的硫黃素衍生物（ThT或ThS）具有明顯的聚集猝滅效應，低信噪比（S / N）和弱的血腦屏障（BBB）穿透力，在體內檢測Aβ斑塊是非常受限的。聚集誘導發射（AIE）是鑒定蛋白質原纖維形成的優先策略。這種基于AIE探針的設計，特別是將波長延伸到NIR區域，對于引入另外的疏水性π-共軛橋基本上是必需的。然而，在探針與Aβ聚集體結合之前不希望的初始聚集不可避免地導致“假陽性”AIE信號。因此，迫切需要克服較長排放的親脂性要求與水與蛋白質原纖維形成的聚集行為之間的困境。

【成果簡介】

近日，華東理工大學朱為宏和郭志前教授課題組等采用理性的“step-by-step”分子設計策略來解決商業染料ThT的固有缺陷，通過引入親脂性π-共軛噻吩橋擴展到NIR近紅外波長范圍，并使其滿足BBB穿透性所需的親脂性需求，進一步通過改變親水性磺酸鹽基團的取代位置，保證特定的親水性使分子在結合Aβ沉積之前處于分散態，以保證AIE探針在未結合Aβ斑塊前熒光維持熒光關閉off狀態，展示了近紅外(NIR)聚集誘導發射(AIE)-Aβ斑塊活性探針的合理設計策略。近紅外探針QM-FN-SO3已經很好地解決了AIE在較長發射的親脂性要求和從水到蛋白質原纖維形成的聚集行為之間的問題，從而在體內檢測具有顯著結合親和力的Aβ斑塊的高保真反饋方面取得了突破，可以作為商業探針ThT或ThS的有效替代品。該研究成果今日以題為“Rational Design of Near-Infrared Aggregation-Induced-EmissionActive Probes: In Situ Mapping of Amyloid?β Plaques with Ultrasensitivity and High-Fidelity”發表在知名期刊JACS上。

【圖文導讀】

圖一：合理設計遠紅外AIE激活的熒光探針用于檢測Aβ沉積

(A) 基于常開模式的商用探針ThT；
(B-C) “逐步法”設計的解決商用ThT固有缺陷并創建超敏感的NIR探針。

圖二：QM-FN-SO3顯著的光物理特性

(A)不同溶劑環境條件下的發射光譜；
(B)I/I0的變化；
(C)逐步滴加Aβ42聚集體時QM-FN-SO3的熒光光譜；
(D) QM-FN-SO3探針與新鮮老鼠血清孵育20h在720nm處熒光變化；
(E)ICG、ThT、QM-FN-SO3三種探針持續光照的的紫外吸收變化；
(F) 在Aβ42聚集體響應平衡后，I / I0隨不同濃度QM-FN-SO3、QM-FN、ThT、DCM-N的變化圖。

圖三：在溶液和腦切片中高保真Aβ驅動的即時NIR效應

(A-B)QM-FN-SO3的超高S/N比率組合背景最小化和對Aβ42聚集體的保真度信號放大；
(C)QM-FN-SO3（0-1μM）有效地從ThT/Aβ42聚集復合物中置換ThT突出顯著的親和力；
(D)對Aβ42聚集體高效的選擇性；
(E-J)分別使用ThS和QM-FN-SO3對來自野生型小鼠和阿爾茨海默氏病（AD）-模型小鼠的海馬區域中的腦切片進行組織學染色成像；
(K) 腦切片線性目標區域（ROI）的強度分布；
(L) DCM-N，QM-FN和QM-FN-SO3的S/N比；
(M-U)來自APP/PS1小鼠的相鄰腦切片分別在海馬區域，皮質區域和皮質區域放大后（40x）用DCM-N，QM-FN和QM-FNSO3染色；
(V-W)分別在靜脈內注射探針QM-FN-SO3和ThT（2mg kg-1）5分鐘后從野生型小鼠的腦組織中提取的高分辨率質譜。

圖四：AD模型小鼠活體內Aβ模塊成像

(A-D)野生型合AD模型小鼠注射QM-FN-SO3后0分鐘和20分鐘腦部活體成像；
(E-G) AD模型小鼠腦部切片（40×）成像，用抗體2454染色確認以及共聚成像圖像。

【小結】

總之，該工作重點是如何開發近紅外 AIE激活的探針QM-FN-SO3以避免商業探針ThT和ThS的固有缺陷，以滿足體內檢測Aβ斑塊的高保真要求。在“逐步”合理設計策略中，作者通過引入了親脂性π-共軛噻吩橋，然后將ACQ熒光團替換為AIE的喹啉腈母體，最后調整磺酸基團的取代位置。因此，探針QM-FNSO3同時消除了來自ThT的自猝滅信號和來自初始聚集AIE探針的“假陽性”信號，然后結合Aβ噬斑。體外和體內的活體動物實驗為Aβ斑塊的準確反饋提供了的確鑿證據。作者首次解決了π-共軛結構對近紅外發射和聚集行為要求之間的AIE困境，通過精確調控分子的聚集狀態，實現對AD-模型小鼠大腦中Aβ斑塊的準確結合和近紅外熒光標記，在Aβ斑塊的高保真檢測方面取得了突破。探針QM-FN-SO3具有超高S/N比的顯著特征，與BBB滲透性的顯著結合親和力和高性能NIR發射。該研究為NIR AIE活性探針的設計提供了一種有前景的策略，可作為商業探針市售染料ThT/S的有效替代品進行更高保真度的組織學染色，為體內蛋白質原纖維形成的可視化鋪平了新的途徑。

文獻鏈接：Rational Design of Near-Infrared Aggregation-Induced-EmissionActive Probes: In Situ Mapping of Amyloid?β Plaques with Ultrasensitivity and High-Fidelity (JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b12820)

【作者簡介】

郭志前教授，國家優秀青年基金獲得者，青年長江學者，目前主持基金委優青、面上、霍英東青年教師基金等項目。主要從事功能性生物熒光染料創制和應用研究。針對有機熒光染料在生物醫藥、信息材料、環境生態等交叉領域中的應用創新問題，開展功能性熒光染料創制和應用研究，發展了系列高性能、精細化、可產品化的近紅外熒光染料。迄今，已在Chem. Soc. Rev.、Nature Protocols、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.等國際一流雜志上發表SCI論文60余篇，SCI他引4400余次，H指數為33。曾獲上海市自然科學一等獎1項。

朱為宏教授，教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，東方學者，科技部創新人才推進計劃，上海市學術帶頭人，國家“萬人計劃”領軍人才。現擔任“影像科學與光化學”第八屆常務副主編、中國感光學會第八屆理事會常務理事、Dyes and Pigments國際編委等學術兼職職務。迄今已在Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、等發表SCI收錄論文210篇，H指數為60，SCI引用11000余次。主持或參與國家自然科學基金、科技部“973”等科研項目25項。曾獲上海市自然科學一等獎2項和國家自然科學獎二等獎1項。

本文由材料人高分子組大兵哥供稿，材料牛整理編輯。

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