聚集诱导发光之生物学应用(上)

第1章化学生物传感 1.1化学生物传感构建概述 化学生物传感器是一类能够将待测化学或生物物质的浓度转化为可识别信号输出的装置，通常由识别基元与信号转换基元组成。识别基元具有分子识别结构，可特异性识别待测物质，信号转换基元将识别基元产生的化学信号转换为与分析物特性相关的可识别信号，如电信号、光信号、热信号等[1，2]。近年来，化学生物传感器被广泛应用于疾病诊断与监控、药物开发、污染物分析检测、致病微生物检测及体液中疾病标志物检测等领域。一个理想的化学生物传感器应具有以下特征：灵敏度高、选择性强、线性范围宽、响应迅速、重复性好、检测限低、寿命长及稳定性好等。为了获得性能优异的化学生物传感器，在构建过程中需要着重考虑以下因素[3]： （1）选择合适的识别基元分子； （2）选择合适的连接方式来连接识别基元与信号转换基元； （3）设计合适的信号转换基元，将识别基元产生的化学信号转化为可识别的信号； （4）通过合理的设计拓宽传感器的检测范围和线性范围，提高检测的灵敏度，降低干扰。 因此，构建性能优异的化学生物传感器通常需要丰富的生物、化学及物理知识。随着当代集成电路技术及微机械技术的快速发展，对传感器的小型化要求越来越高，这样不仅可以大大降低化学生物传感器的生产成本，还可以减小设备的体积，便于满足实际应用的需求。 化学生物传感器根据信号转换方式的不同，可分为光学传感器、电化学传感器、热传感器、压电传感器及磁传感器等，其中光学传感器是报道*为广泛的一类化学生物传感器。相较于其他传统分析技术，光学传感器能够对生物或化学物质进行直接、实时及免标记检测，具有灵敏度高、特异性强、体积小、成本低等优势。光学传感器通常采用表面等离子体共振（SPR）技术、光纤或光波导技术、红外或拉曼技术、荧光技术、化学发光技术、比色等光学技术作为信号传导方式[4]。本书主要介绍聚集诱导发光分子为基础的荧光生物化学传感器。 荧光技术由于具有灵敏度高、信号读取简便、操作简单等优势，已成为一种强大的分析检测技术。特别是在生命过程相关的应用领域，荧光技术可提供实时、在线、非侵入性响应，具有时间和空间上的双重分辨能力，为生理及生命相关过程的可视化研究提供了高效的工具[5-7]。然而，传统的荧光分子，如荧光素、罗丹明、花菁等只能在稀溶液中发强荧光，在高浓度或聚集态时容易发生聚集而猝灭，因此，这些分子仅限于稀溶液中的检测，并且光稳定性差，易发生光漂白，斯托克斯位移较小，导致背景干扰严重。而聚集诱导发光（AIE）分子的出现为荧光技术在生物化学领域的应用带来了新的契机。AIE分子在溶液态通常不发光或弱发光，而在聚集态或固态时具有强发光，这一特殊的发光性质被称为聚集诱导发光现象。AIE分子通常具有大的斯托克斯位移、好的光稳定性和强的抗光漂白能力，因此可有效降低背景信号，为设计点亮型生物化学荧光传感器带来了新机遇。AIE的发光机理主要包括分子内运动受限（RIM）、形成激基缔合物、J-聚集、抑制扭曲分子内电荷转移（TICT）过程及激发态分子内质子转移（ESIPT）等，已被大量的实验及理论计算研究所证实[8-11]。 根据AIE的机制，AIE类化学生物传感器的设计策略（图1-1）通常有：①通过非共价键相互作用，如静电相互作用、氢键、范德瓦耳斯力及金属-配体相互作用等，与被分析物自组装形成聚集体引起荧光变化；②在AIE分子上修饰靶向配体来识别被分析物，从而使分子内运动受限；③通过与酶或者特定化学物质反应，断裂化学键，改变AIE分子的溶解性；④干扰光物理猝灭过程，如光诱导电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）、能量传递（ET）过程等[11]。根据这些设计策略，AIE化学生物传感器的研究已经取得了令人兴奋的研究成果，并以令人难以置信的速度飞速发展，为生命科学及生物工程等领域带来了新的发展前景。本章将重点介绍AIE类化学生物传感器在生物相关小分子及大分子传感中的研究进展及应用。 1.2生物小分子传感 1.2.1　氨基酸化学生物传感器 氨基酸是蛋白质的主要组成部分，在生理过程中发挥着至关重要的作用[12]。例如，赖氨酸（Lys）与鸟氨酸循环（Krebs-Henseleit循环）及多胺的合成密切相关；食物中的赖氨酸对动物代谢功能及增重非常重要[13]。组氨酸（His）对组织的生长和修复至关重要[14]。色氨酸（Trp）在蛋白质生物合成、动物生长及植物发育等生理过程中发挥重要作用[15]。基于氨基酸的重要生理功能，体内缺乏氨基酸会导致各种疾病，例如，缺乏半胱氨酸（Cys）会导致生长缓慢、头发褪色、水肿、嗜睡、肝脏损伤等[16]。随着人们对健康的日益关注及对疾病诊断和治疗新方法的迫切需求，许多科学家致力于氨基酸检测新方法的开发，AIE类荧光传感器也被广泛用于体内重要氨基酸的检测研究，但是由于各种氨基酸的结构比较类似，因此开发能够高选择性地检测某种特定氨基酸的荧光传感器仍是一项巨大的挑战。 1.赖氨酸化学生物传感器 赖氨酸是人体必需天然氨基酸之一，与Krebs-Henseleit循环及多胺的合成密切相关。赖氨酸代谢异常将引起高血糖症、酵母氨酸尿症、戊二酸血症等疾病[17-19]。目前，用于检测赖氨酸的AIE类化学生物传感器还非常少，例如，唐本忠、孙景志等[20]报道了1， 3-茚二酮修饰的四苯乙烯（TPE）衍生物IND-TPE（1）［图1-2（a）］，化合物1在THF/水（体积比为3∶7）混合溶液中聚集，具有强荧光。由于1中连接茚二酮与TPE的碳碳双键可在碱性条件下水解，因此，1能够选择性地对20种常见氨基酸中的两种碱性氨基酸赖氨酸和精氨酸响应，产生的ALD-TPE（2）在THF/水混合溶液中的溶解性更好，因此荧光减弱。1对赖氨酸和精氨酸的检测限约为0.1 mmol/L。遗憾的是，这种开-关型的响应模式不利于生物成像及检测，并且1不能有效地区分赖氨酸和精氨酸，限制了其在生物体系中的应用。 雷自强和马恒昌等[21]设计了一种AIE类化学生物传感器3（PEG-TPA-5′）用于赖氨酸检测，如图1-2（b）所示。赖氨酸残基中的脂肪氨基可以与PEG-TPA-5′中的醛基反应，形成席夫碱PEG-TPA-5′-Lys，荧光增强。并且PEG-TPA-5′还可用作赖氨酸响应性的载药体系。遗憾的是，该传感器对脂肪胺化合物也有响应。 2015年，Das等[22]开发了一种基于芘衍生物的AIE化学生物传感器4（A3）用于特异性识别赖氨酸，如图1-2（c）所示。在甲醇-HEPES缓冲体系（0.1 mol/L，pH 7.4，4∶1，v/v）中，4显示芘的衍生物特征的单体发射（404nm）和激基缔合物发射（505nm），加入低浓度的赖氨酸（0～2.0equiv.）时，单体的发射峰逐渐减弱，激基缔合物的发射峰强度不断增强，因此4可对赖氨酸产生比率型响应，检测限为3.0nmol/L。当加入高浓度的赖氨酸（＞2.0equiv.）后，单体和激基缔合物的发射强度均减弱，在455nm出现新的发射峰并逐渐增强。这是由于高浓度的赖氨酸加入之后，芘的动态激基缔合物在赖氨酸的作用下逐渐转化为静态激基缔合物，当赖氨酸浓度进一步增大到30equiv.时，这种静态激基缔合物发生进一步聚集，产生AIE效应，荧光增强。4还可以用于细胞内赖氨酸的荧光成像，具有良好的生物兼容性。这些结果表明，4是一种非常有效的比率型荧光传感器，用于赖氨酸的特异性识别和检测。 2.组氨酸化学生物传感器 组氨酸不仅在保护神经细胞的髓鞘形成过程中发挥重要作用，而且参与了大脑信号向身体各个部分的传送过程，在肝脏和肾脏参与的重金属解毒及其他细胞残骸清除中也发挥了至关重要的作用[23-25]。因此，组氨酸的检测在生物化学和分子生物学中具有极其重要的意义。2015年，张德清、张关心和曾艳[26]报道了一种基于铜配合物的AIE荧光传感器（5 + Cu2+），如图1-3所示。AIE分子5与Cu2+络合后，荧光被猝灭，组氨酸可竞争性地与5 + Cu2+中的Cu2+络合，释放出分子5，从而聚集导致荧光增强。但是，该传感器的激发波长和发射波长都较短（＜500nm），限制了其在细胞成像及活体内的应用潜力。2016年，蒲林、余孝其和于珊珊等[27]设计合成了AIE型荧光传感器（6和7，图1-3），6和7可以分别与Zn2+络合，原位生成的配合物可以通过比率型响应识别组氨酸，其他天然氨基酸及常见阳离子对识别的干扰较小。 3.巯基氨基酸化学生物传感器 巯基氨基酸包括半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）和谷胱甘肽（GSH），在保持蛋白质功能的内稳态中发挥至关重要的作用[28-32]。半胱氨酸的水平升高与许多神经疾病有关，而其含量降低则会导致生长缓慢、头发褪色、肝损伤及皮肤损伤等[33，34]。Hcy比半胱氨酸多一个亚甲基，与血管及肾脏疾病密切相关。血液中Hcy含量升高，患心血管疾病、阿尔茨海默病及神经管缺陷的风险将大大升高[35]。GSH是含量*丰富的巯基三肽，是调节细胞内缓冲平衡的重要抗氧化物质。通过捕获活性氧物种及自由基，GSH可以保护细胞免受氧化应激的损伤，还能影响化疗的有效性[36-39]。基于巯基氨基酸的重要性，科学家针对巯基氨基酸设计了大量的化学生物传感器，其中AIE类的传感器也非常多，主要利用巯基参与的化学反应设计，设计策略[40]主要包括：巯基参与的醛基化合物的环化反应；与α，β-不饱和羰基化合物的迈克尔加成反应；磺酰胺或者磺酸酯键的断裂反应；与丙烯酸酯的共轭加成环化反应；芳基取代重排反应及自然化学连接等。 1）与醛基化合物的环化反应 利用巯基与醛基的环化反应是设计巯基响应化学生物传感器的常用策略之一。如图1-4所示，唐本忠、孙景志等[41， 42]开发了一系列醛基修饰的四苯乙烯或者噻咯衍生物8～10（DMBFDPS、DMTPS-ALD和TPE-ALD），利用它们与Cys或Hcy的反应动力学差异来区分检测这两种结构十分类似的巯基氨基酸。AIE传感器TPE-ALD、DMBFDPS和DMTPS-ALD在HEPES-DMSO混合溶液（v/v=50∶50）中发光较弱，随着Cys的加入，氨基酸残基中的巯基与传感器中的醛基迅速反应，生成溶解性更差的噻唑烷衍生物，荧光蓝移并大大增强。而加入Hcy后，荧光变化不明显。其中，AIE传感器TPE-ALD响应更加迅速，荧光增幅*大，对Cys的灵敏度高、选择性强。根据这一设计策略，科学家们进一步设计合成了AIE传感器11～16[43-47]。11具有聚集诱导发光增强（AIEE）特性，能够特异性识别Hcy，检测限为3.05 μmol/L，并用于HeLa细胞中对Hcy进行荧光成像[43]。马骧、梅菊等设计合成了具有D-π-A结构的AIE传感器14，14可以识别Cys和Hcy，对GSH无响应，响应时间2 min，14有望用于Cys和Hcy相关的临床疾病的诊断[45]。近期，Xie等[46]报道了能够特异性检测Hcy的AIEE荧光传感器15（APTC），15对Hcy的响应非常迅速，仅需5min，检测限低至21.98nmol/L。15还可制备到固体硅胶板上，用于Hcy的便携式检测，并可在活细胞中对Hcy进行荧光成像。 AIE有机荧光纳米颗粒具有优异的光学性质，近年来备受关注。邢国文、张媛等[47]将亲水性的糖单元引入到疏水性的AIE分子上，合成了一种两亲性的AIE荧光传感器16。16可在水溶液中自组装形成水溶性的有机纳米颗粒2OA-FON。2OA-FON可特异性响应Cys，产生比率型（I500/I575）荧光变化，检测限为25 μmol/L。2OA-FON可在HepG2细胞内检测Cys。通过在疏水AIE分子中引入亲水性的糖单元形成两亲性有机纳米颗粒的策略，为Cys及其他生物被分析物的检测提供了新的设计策略。