氮氧化物助力AIE探针实现缺氧成像

氮氧化物是一类具有N⁺−O⁻ 官能团的化合物。由于该官能团的两性性质，小分子氮氧化物通常具有良好的水溶性。三甲胺氮氧化物 (TMAO) 是一种天然的氮氧化物，其广泛存在于深海鱼类、软体动物和甲壳类动物中。多项发表于《美国科学院院报》的研究认为，三甲胺氮氧化物在维持深海生物的生命活动，特别是在高水压和高尿素浓度下稳定蛋白质构象发挥着十分重要的作用。受此启发，华盛顿大学的科研团队在小分子氮氧化物的基础上开发了新一代超亲水的抗非特异性蛋白质吸附和细胞粘附材料(Sci. Adv., 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aaw9562)。与此同时，氮氧化物由于自身的氧化性，也可在低氧条件下通过细胞色素P450的还原作用代谢为胺类化合物。所以，科学家们也发展出基于氮氧化合物的低氧响应分子，比如一种代号为AQ4N的厌氧响应型的新型抗肿瘤前药。

在氮氧化物超亲水和低氧下可被生物还原两种性质的启发下，近日香港科技大学的唐本忠院士（点击查看介绍）（通讯作者）课题组报道了四苯基乙烯（TPE）氮氧化物用于肿瘤细胞缺氧成像的最新研究。有别于传统厌氧荧光探针复杂的合成路径和较差的水溶性，他们通过两步简单的McMurry偶联和氧化反应得到了三种目标产物，分别为TPE-2M N-oxide、TPE-2E N-oxide和TPE-2M2F N-oxide。氮氧化物的亲水特性也赋予了三种化合物优越的水溶性。光物理研究实验表明所合成的三种氮氧化物都继承了四苯基乙烯的聚集诱导发光特性。由于在水溶液中活跃的分子内运动，它们并不发光。氮氧化物与其他蛋白质弱的相互作用也避免了三种分子探针在生物环境中产生干扰性的背景荧光。另一方面，不同的分子结构也使得三种探针可以被亚铁离子以不同速率还原。在还原的过程中，N⁺−O⁻化学键可以被切断生成水溶性差的芳香胺，具有聚集诱导发光特性的芳香胺进一步形成疏水性聚集体，分子内运动受限最终开启了它们的荧光。在细胞水平上，TPE-2E N-oxide可以实现在低氧条件下的荧光点亮，且随氧气浓度降低，荧光进一步得到增强。微粒体共孵育实验和细胞色素P450抑制实验表明，TPE-2E N-oxide在低氧条件下可被该还原酶还原，最终发射出荧光。细胞毒性实验证明了TPE-2E N-oxide具有很好的生物相容性。总而言之，四苯基乙烯氮氧化物可以通过氧化还原反应完成亲疏水转换进而开启自身的AIE荧光，这一新策略对于设计智能响应材料在分子生物学的检测和诊断领域具有很高的应用价值。

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是为香港科技大学化学系的博士生徐昌活和南方医科大学的邹航博士。

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A New Strategy toward “Simple” Water-Soluble AIE Probes for Hypoxia Detection

Changhuo Xu, Hang Zou, Zheng Zhao, Pengfei Zhang, Ryan T. K. Kwok, Jacky W. Y. Lam, Herman H. Y. Sung, Ian D. Williams, Ben Zhong Tang

Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201903278

唐本忠院士简介

唐本忠院士是香港科技大学化学系讲座教授和张鉴泉理学教授，并兼任香港科技大学工学院化学及生物工程学系讲座教授。2009年当选中国科学院院士。2012年至今担任华南理工大学-香港科技大学联合实验室主任。2012年起受聘为华南理工大学双聘院士。2013年入选英国皇家化学会Fellow，2015年担任国家人体组织功能重建工程技术研究中心香港分中心主任，2017年起受聘为华南理工大学-香港科技大学联合研究院院长。目前已发表学术论文1500多篇，总引约80000次，h因子为134。在学术会议上作了400多场邀请报告，拥有50多项专利。现任ACS新闻周刊Noteworthy Chemistry专栏科学新闻撰稿人，Materials Chemistry Frontier (RSC)主编，英国皇家化学学会（RSC）高分子化学丛书主编，Polymer Chemistry（RSC）和Progress in Chemistry杂志副主编，以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑等。

唐本忠院士团队主要从事高分子化学和先进功能材料研究。2001年，唐本忠院士首次提出“聚集诱导发光”（aggregation-induced emission, AIE）概念，并自此发展出一系列具有AIE性质的发光团（AIEgens），开辟了发光材料的新领域。由于这类分子“溶解不发光、聚集才发光”的特点，其既能克服绝大多数传统荧光染料聚集后荧光淬灭的问题，又具有固态量子产率高、光稳定性好、背景荧光弱、斯托克斯位移大等优点，吸引着来自全球的研究兴趣，已广泛应用于化学检测、生物成像、环境监测、医学诊断治疗及发光器件等诸多领域，成为近十几年来的研究热点。2016年，AIE纳米粒子被《Nature》列为支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料之一，并是唯一一种由中国科学家原创的新材料。由于在聚集诱导发光这个领域取得了一系列原创性成果，唐本忠院士先后获得多项荣誉及奖励，于2002年获得由国家自然科学基金授予的“杰出青年学者”（B类，海外华裔科学家）称号，2007年获国家自然科学二等奖、Croucher基金会高级研究员奖、中国化学会王葆仁奖和Elsevier杂志社冯新德奖，2012获Science China Chemistry杰出贡献奖、美国化学学会高分子材料部：科学与工程分会Macro2012讲座奖等，2014年获伊朗国家科技部科学技术研究组织颁发的Khwarizmi国际奖和2015年获广州市荣誉市民。2014-2018年连续当选全球材料和化学领域“高被引科学家”。荣获2017年度何梁何利基金科学与技术进步奖，以第一项目完成人身份凭“聚集诱导发光”项目获得2017年度国家自然科学一等奖，并获得科技盛典-CCTV2018年度科技创新人物。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49585