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唐本忠院士領銜89位學者傾力打造 ACS Nano重磅綜述：AIE，生命與健康

2023-07-26 來源：高分子科技

聚集誘導發光（AIE）是發光領域的一個新興概念，AIE材料具有亮度高、生物相容性好，光穩定性強，發光與濃度正相關等優勢，在生物成像、光動力治療、光熱治療等生命健康領域顯示出巨大的應用潛力。AIE連續多年入選化學和材料學科熱點前沿和新興前沿領域，并被IUPAC評為2020年國際十大化學新興技術。

近期，香港中文大學（深圳）理工學院院長唐本忠院士聯合國內外多個團隊共89名學者系統的論述了AIE在生命與健康領域的最新進展，總結了AIE材料在生物成像（細胞成像、組織成像、活體成像、病原體成像），疾病診療（癌癥診療、抗菌治療），檢測和監控（生物大分子、病毒、食品安全、即時檢驗）等方向的應用。在結論與展望中，全面討論了AIE在基礎研究和應用研究的機遇與挑戰，重點思考了AIE與大數據相結合可能碰撞出的火花。該綜述以“Aggregation-Induced Emission (AIE), Life and Health”為題發表在ACS Nano期刊。

作者闡述了AIE的概念、機理以及AIE材料目前在生命科學和健康領域的作用，并介紹了AIE材料在生命科學和健康領域的發展脈絡（圖1）。

圖1. AIE在生命科學和健康領域的重要里程碑。

自2001年唐本忠院士提出AIE概念以來，經過20余年的發展，科學家們已經確立并且廣泛認可了分子內運動受限（RIM）是產生AIE特性的主要機制。RIM可以導致分子構象剛性化，從而抑制非輻射躍遷途徑（例如振動耦合、錐形交叉和光化學反應等），從而促進發光增強。隨著對RIM機制的深入理解，發現一些AIE材料可在光動力治療（PDT）中作為高效的光敏劑（PSs），在光照下產生高毒性的活性氧（ROS），對癌細胞和病原體具有高度殺傷力。

除了限制分子運動，合理促進和利用固態分子運動也可作為設計光熱治療/光聲成像系統的指導方法。通過促進非輻射躍遷，分子可將吸收的光能轉化為熱等不可見形式的能量。此外，將PDT與免疫治療、化療和基因治療等其他療法相結合，可以提高疾病治療效率并克服個體療法的局限性，在臨床研究中顯示出良好的前景。

圖2. Jablonski diagram以及AIE材料產生熒光、ROS和光熱機理示意圖。

作者分別從亞細胞器、組織、活體和病原體等不同級別介紹了AIE材料在生物成像方面的應用。除了傳統的單光子熒光成像外，還包括了超分辨成像、二/三光子成像、近紅外成像和長余輝成像等新型成像手段。基于AIE的生物成像已成為理解生命過程的關鍵工具，有助于進一步發展診斷和治療方法。

圖3. 基于AIEgens的近紅外活體成像。

作者總結了AIE材料在疾病診療方面的應用。通過分子設計賦予AIEgens不同功能，可使得分子產生ROS以及光熱特性，有效的殺滅癌細胞與病菌。對于癌癥治療，作者依次討論了AIEgens在光動力療法和聯合治療方面的作用（圖4）。對于抗菌治療，作者依次介紹了AIEgens對胞外菌和胞內菌的追蹤和殺滅。

圖4. AIEgens對于腫瘤的光動力、光熱聯合治療。

隨著醫學的快速發展，對生命科學研究逐漸轉向微觀的分子水平。生物體內存在各種復雜機制的生物活性分子，如氨基酸、酶以及各種活性氧、氮、硫等物種，它們是體內穩態的重要組成部分。作者總結了AIE材料在檢測和監測生物分子，包括大分子和小分子方面的作用。并且總結了AIE材料在病毒檢測、食品安全篩查和現場檢測等實際問題上的應用。

圖5. AIEgens實現病毒檢測。

最后，作者提出，從光物理現象出發，經過20余年的發展，AIE已成為一個充滿活力的研究領域。AIE在生命科學和健康領域正在蓬勃發展，從蛋白質、細胞器到組織和活體動物，AIE已涉及臨床診斷、協同治療、藥物遞送、病理學、康復和精準醫學等多個方向。此外，作者還著重展望了AIE領域未來可能的研究熱點：一是天然AIEgens在生物醫藥領域的潛在應用。天然的AIEgens具有許多優點，包括來源廣泛、環境友好、低成本和藥理活性等，可能會成為AIE領域下一步的研究熱點。二是AIE領域與大數據領域的碰撞，唐本忠院士團隊開發并建設了“聚集體科學通用數據庫（ASBase）”希望通過大數據來實現分子光學性能的高精度理論預測，從而為科研和產業化提供新的材料性能數據預測工具（圖6）。

圖6. ASBase 數據庫頁面（http://www.asbase.cn/）。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03925

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（責任編輯：xu）

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