JACS：合理设计近红外聚集诱导发射活性探针用于具有超灵敏度和高保真度的淀粉样蛋白β斑块的原位成像

【研究背景】

淀粉样蛋白-β（Aβ）斑块的高保真成像对早期检测阿尔茨海默症至关重要。然而，事实证明通过商业上可获得的硫黄素衍生物（ThT或ThS）具有明显的聚集猝灭效应，低信噪比（S / N）和弱的血脑屏障（BBB）穿透力，在体内检测Aβ斑块是非常受限的。聚集诱导发射（AIE）是鉴定蛋白质原纤维形成的优先策略。这种基于AIE探针的设计，特别是将波长延伸到NIR区域，对于引入另外的疏水性π-共轭桥基本上是必需的。然而，在探针与Aβ聚集体结合之前不希望的初始聚集不可避免地导致“假阳性”AIE信号。因此，迫切需要克服较长排放的亲脂性要求与水与蛋白质原纤维形成的聚集行为之间的困境。

【成果简介】

近日，华东理工大学朱为宏和郭志前教授课题组等采用理性的“step-by-step”分子设计策略来解决商业染料ThT的固有缺陷，通过引入亲脂性π-共轭噻吩桥扩展到NIR近红外波长范围，并使其满足BBB穿透性所需的亲脂性需求，进一步通过改变亲水性磺酸盐基团的取代位置，保证特定的亲水性使分子在结合Aβ沉积之前处于分散态，以保证AIE探针在未结合Aβ斑块前荧光维持荧光关闭off状态，展示了近红外(NIR)聚集诱导发射(AIE)-Aβ斑块活性探针的合理设计策略。近红外探针QM-FN-SO3已经很好地解决了AIE在较长发射的亲脂性要求和从水到蛋白质原纤维形成的聚集行为之间的问题，从而在体内检测具有显著结合亲和力的Aβ斑块的高保真反馈方面取得了突破，可以作为商业探针ThT或ThS的有效替代品。该研究成果今日以题为“Rational Design of Near-Infrared Aggregation-Induced-EmissionActive Probes: In Situ Mapping of Amyloid‑β Plaques with Ultrasensitivity and High-Fidelity”发表在知名期刊JACS上。

【图文导读】

图一：合理设计远红外AIE激活的荧光探针用于检测Aβ沉积

(A) 基于常开模式的商用探针ThT；
(B-C) “逐步法”设计的解决商用ThT固有缺陷并创建超敏感的NIR探针。

图二：QM-FN-SO3显著的光物理特性

(A)不同溶剂环境条件下的发射光谱；
(B)I/I0的变化；
(C)逐步滴加Aβ42聚集体时QM-FN-SO3的荧光光谱；
(D) QM-FN-SO3探针与新鲜老鼠血清孵育20h在720nm处荧光变化；
(E)ICG、ThT、QM-FN-SO3三种探针持续光照的的紫外吸收变化；
(F) 在Aβ42聚集体响应平衡后，I / I0随不同浓度QM-FN-SO3、QM-FN、ThT、DCM-N的变化图。

图三：在溶液和脑切片中高保真Aβ驱动的即时NIR效应

(A-B)QM-FN-SO3的超高S/N比率组合背景最小化和对Aβ42聚集体的保真度信号放大；
(C)QM-FN-SO3（0-1μM）有效地从ThT/Aβ42聚集复合物中置换ThT突出显著的亲和力；
(D)对Aβ42聚集体高效的选择性；
(E-J)分别使用ThS和QM-FN-SO3对来自野生型小鼠和阿尔茨海默氏病（AD）-模型小鼠的海马区域中的脑切片进行组织学染色成像；
(K) 脑切片线性目标区域（ROI）的强度分布；
(L) DCM-N，QM-FN和QM-FN-SO3的S/N比；
(M-U)来自APP/PS1小鼠的相邻脑切片分别在海马区域，皮质区域和皮质区域放大后（40x）用DCM-N，QM-FN和QM-FNSO3染色；
(V-W)分别在静脉内注射探针QM-FN-SO3和ThT（2mg kg-1）5分钟后从野生型小鼠的脑组织中提取的高分辨率质谱。

图四：AD模型小鼠活体内Aβ模块成像

(A-D)野生型合AD模型小鼠注射QM-FN-SO3后0分钟和20分钟脑部活体成像；
(E-G) AD模型小鼠脑部切片（40×）成像，用抗体2454染色确认以及共聚成像图像。

【小结】

总之，该工作重点是如何开发近红外 AIE激活的探针QM-FN-SO3以避免商业探针ThT和ThS的固有缺陷，以满足体内检测Aβ斑块的高保真要求。在“逐步”合理设计策略中，作者通过引入了亲脂性π-共轭噻吩桥，然后将ACQ荧光团替换为AIE的喹啉腈母体，最后调整磺酸基团的取代位置。因此，探针QM-FNSO3同时消除了来自ThT的自猝灭信号和来自初始聚集AIE探针的“假阳性”信号，然后结合Aβ噬斑。体外和体内的活体动物实验为Aβ斑块的准确反馈提供了的确凿证据。作者首次解决了π-共轭结构对近红外发射和聚集行为要求之间的AIE困境，通过精确调控分子的聚集状态，实现对AD-模型小鼠大脑中Aβ斑块的准确结合和近红外荧光标记，在Aβ斑块的高保真检测方面取得了突破。探针QM-FN-SO3具有超高S/N比的显着特征，与BBB渗透性的显着结合亲和力和高性能NIR发射。该研究为NIR AIE活性探针的设计提供了一种有前景的策略，可作为商业探针市售染料ThT/S的有效替代品进行更高保真度的组织学染色，为体内蛋白质原纤维形成的可视化铺平了新的途径。

文献链接：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)

【作者简介】

郭志前教授，国家优秀青年基金获得者，青年长江学者，目前主持基金委优青、面上、霍英东青年教师基金等项目。主要从事功能性生物荧光染料创制和应用研究。针对有机荧光染料在生物医药、信息材料、环境生态等交叉领域中的应用创新问题，开展功能性荧光染料创制和应用研究，发展了系列高性能、精细化、可产品化的近红外荧光染料。迄今，已在Chem. Soc. Rev.、Nature Protocols、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.等国际一流杂志上发表SCI论文60余篇，SCI他引4400余次，H指数为33。曾获上海市自然科学一等奖1项。

朱为宏教授，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，东方学者，科技部创新人才推进计划，上海市学术带头人，国家“万人计划”领军人才。现担任“影像科学与光化学”第八届常务副主编、中国感光学会第八届理事会常务理事、Dyes and Pigments国际编委等学术兼职职务。迄今已在Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、等发表SCI收录论文210篇，H指数为60，SCI引用11000余次。主持或参与国家自然科学基金、科技部“973”等科研项目25项。曾获上海市自然科学一等奖2项和国家自然科学奖二等奖1项。

本文由材料人高分子组大兵哥供稿，材料牛整理编辑。

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