細胞是生物體的基本組成單元，人類身體由數萬億個細胞組成，每個細胞都有其特定的功能。同時，細胞由不同細胞器構成，例如細胞膜，線粒體，溶酶體，高爾基體和內質網（Endoplasmic reticulum, ER）等。細胞器的尺寸非常小，而且其膜結構近乎相似，這就使得對細胞器結構和功能的研究變得非常困難。此外，儘管細胞器對於細胞乃至整個身體的運作息息相關，但是對於其參與的具體生物化學過程和通路仍然不是很清楚。然而，目前用於細胞器的研究的技術卻很少。細胞熒光成像提供了一種強勁的解決辦法，藉助熒光成像技術對不同細胞器實現了實時監測和可視化，從而更加直觀地研究其結構和功能。然而，靶向特定細胞器的熒光探針的設計和合成仍然具有挑戰性。
近日，香港科技大學的唐本忠院士團隊報道了一個用於設計和合成具有紅光發射的AIE探針的高效平臺，並系統研究了分子結構與細胞器靶向功能之間的關係。該平臺採用具有D-A結構的分子作為核心，其可以輕易地通過官能化來調節對不同細胞器的靶向性。在這項工作中報道的AIEgens具有高達39.3％的量子產率和高達162 GM的雙光子吸收截面。其中，兩種含有磺酸鹽官能團的兩性離子AIEgens（CDPP-3SO3和CDPP-4SO3）成功實現了細胞內質網（ER）的單光子和雙光子成像。緊接著，作者設計了只含有一個正電荷的官能團替換磺酸鹽官能團，得到了新探針（CDPP-BzBr），其表現出線粒體靶向的效果，說明兩性離子官能團在ER靶向功能中具有一定的重要作用。這些具有紅光發射的熒光探針均表現出優異的光穩定性、良好的細胞相容性以及高的染色效率，有望應用於活細胞細胞器的成像。同時，這一工作也有助於熒光探針構效關係的設計和研究。
圖1. 兩性離子AIEgens靶向細胞內質網原理示意圖。
光物理性能
在這項工作中設計併合成了三種AIEgens, 分別為CDPP-3SO3，CDPP-4SO3 和CDPP-BzBr，其量子產率分別為39.3%，5.3%和8.3%。CDPP-3SO3和CDPP-4SO3固態的最大發射峰在620 nm左右，CDPP-BzBr固態的最大發射峰表現出紅移，在665 nm左右。紅光發射和高量子產率的特性使得CDPP系列的AIE探針非常適合用於生物熒光成像。
圖2. CDPP系列AIEgens的光物理性能數據。
細胞成像
作者通過分別用CDPP-3SO3和CDPP4SO3與商用的內質網染料ER-Tracker 共染HeLa細胞來展示了CDPP-3SO3和CDPP-4SO3的內質網靶向功能。結果顯示，當染料濃度為1 µM時，CDPP-3SO3和CDPP-4SO3均可以在1 h內實現高效的內質網成像。共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）共定位數據表明兩種AIEgens與ER-Tracker的Pearson係數高達0.85（CDPP-3SO3）和0.86（CDPP-4SO3），說明這兩種AIEgens均可以作為內質網成像的探針。隨後，作者使用同樣的方法研究了僅含有一個正電荷的CDPP-BzBr的細胞器靶向性能，結果顯示CDPP-BzBr和商用的線粒體染料Mito-Tracker有非常高的重合度，其Pearson係數高達0.89，表現出優異的線粒體靶向功能。這進一步說明了兩性離子官能團在ER靶向功能中具有一定的重要作用。
圖3. CDPP-3SO3在HeLa細胞中的激光共聚焦成像。
圖4. CDPP-BzBr在HeLa細胞中的激光共聚焦成像。
此外，作者還進一步研究了CDPP系列AIEgens的雙光子細胞成像性能及其光穩定性。由於CDPP系列的AIEgens都具有D-A結構，使得其擁有較強的雙光子吸收。光穩定性測試結果顯示CDPP-3SO3, CDPP-4SO3 和CDPP-BzBr在連續80次激光掃描後仍具有很好的熒光強度。
圖5. CDPP系列AIEgens的雙光子吸收曲線，雙光子細胞成像以及其光穩定性測試曲線。
綜上，CDPP系列AIEgens具有優異的生物相容性，高選擇性，高亮度，低背景和優異的光穩定性，有望應用於細胞成像領域。兩性離子AIEgens CDPP-3SO3和CDPP-4SO3成功地應用於各種細胞系的內質網成像，如HeLa細胞和143B細胞。相反，僅帶一個正電荷的CDPP-BzBr卻應用在線粒體成像。該研究中提出的設計策略表明僅僅通過簡單修飾就可以獲得具有不同細胞器靶向功能的紅色AIE熒光探針，這將有助於新的熒光探針的開發，及其結構-功能關係的研究。
以上相關成果發表在《Advanced Functional Materials》 (Adv. Funct. Mater. 2020, 1909268)上。論文的第一作者為香港科技大學博士後Parvej Alam 博士，共同第一作者為香港科技大學在讀博士生何威，通訊作者為香港科技大學唐本忠院士。
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