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聚集誘導發(fā)光之生物學應用(上)

聚集誘導發(fā)光之生物學應用(上)

出版社：科學出版社出版時間：2023-02-01
開本： B5 頁數(shù)： 240
本類榜單：自然科學銷量榜
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聚集誘導發(fā)光之生物學應用(上) 版權信息

  • ISBN：9787030747433
  • 條形碼：9787030747433 ; 978-7-03-074743-3
  • 裝幀：一般膠版紙
  • 冊數(shù)：暫無
  • 重量：暫無
  • 所屬分類：>

聚集誘導發(fā)光之生物學應用(上) 內容簡介

本書為“聚集誘導發(fā)光叢書”之一。鑒于聚集誘導發(fā)光材料在生命科學與生物醫(yī)學領域所展現(xiàn)出的光明未來，為激發(fā)更多科研工作者對聚集誘導發(fā)光材料研究的廣泛興趣，本書重點介紹聚集誘導發(fā)光材料在生物方面的應用進展和發(fā)展?jié)撃埽饕榻B其在化學生物傳感（第1章）、細菌成像和殺菌（第2章）、細胞成像（第3章）、細胞內微環(huán)境成像（第4章）、細胞相關生命過程分析（第5章）等方面的應用以及展望（第6章）。

聚集誘導發(fā)光之生物學應用(上) 目錄

目錄
總序
前言
第1章　化學生物傳感　1
1.1　化學生物傳感構建概述　1
1.2　生物小分子傳感　3
1.2.1　氨基酸化學生物傳感器　3
1.2.2　單糖化學生物傳感器　17
1.2.3　ATP化學生物傳感器　20
1.2.4　其他重要的小分子　24
1.3　生物大分子傳感　26
1.3.1　核酸　26
1.3.2　蛋白質　28
1.3.3　疾病相關酶活性傳感　30
參考文獻　49
第2章　細菌成像和殺菌　64
2.1　引言　64
2.2　細菌成像　65
2.2.1　廣譜細菌成像和識別　66
2.2.2　革蘭氏陽性菌和陰性菌的區(qū)分　73
2.2.3　細菌的長期追蹤　78
2.2.4　活死細菌染色　80
2.3　AIE表面活性劑殺菌　82
2.4　AIE光敏劑光動力殺菌　88
2.4.1　AIE光敏劑　88
2.4.2　陽離子AIE光敏劑光動力殺菌　93
2.4.3　萬古霉素-細菌靶向光動力殺菌　97
2.4.4　代謝標記靶向的光動力殺菌　100
2.4.5　細菌模板聚合物AIE光敏劑對細菌的精準標記和殺傷　107
參考文獻　109
第3章　細胞成像　115
3.1　引言　115
3.2　用于亞細胞結構成像的AIE材料　115
3.2.1　線粒體　116
3.2.2　溶酶體　121
3.2.3　脂滴　125
3.2.4　細胞核　129
3.2.5　細胞膜　133
3.2.6　其他　136
3.3　細胞示蹤　137
3.4　超分辨熒光成像　141
3.4.1　AIE小分子　142
3.4.2　AIE納米顆！145
參考文獻　147
第4章　細胞內微環(huán)境成像　151
4.1　引言　151
4.2　細胞內pH　151
4.3　細胞內黏度　155
4.4　細胞內活性氧物種　160
4.5　細胞內金屬離子　164
4.6　細胞內生物活性分子成像　168
4.6.1　堿性磷酸酶　168
4.6.2　酯酶　171
4.6.3　半胱天冬酶　173
4.6.4　β-半乳糖苷酶　176
4.6.5　谷胱甘肽　178
參考文獻　181
第5章　細胞相關生命過程分析　184
5.1　引言　184
5.2　細胞凋亡　184
5.3　線粒體自噬　187
5.4　有絲分裂　192
5.5　細胞分化　193
參考文獻　197
第6章　其他及展望　199
6.1　基因遞送　199
6.1.1　靜電作用載附基因　199
6.1.2　細菌載附基因　203
6.2　免疫治療　204
6.2.1　腫瘤抗原釋放　204
6.2.2　抗原呈遞細胞成熟　208
6.3　多模式成像　210
6.3.1　MRI-熒光成像　210
6.3.2　光聲成像和光熱治療　214
6.4　展望　220
參考文獻　221
關鍵詞索引　224
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聚集誘導發(fā)光之生物學應用(上) 節(jié)選

第1章化學生物傳感 1.1化學生物傳感構建概述 化學生物傳感器是一類能夠將待測化學或生物物質的濃度轉化為可識別信號輸出的裝置，通常由識別基元與信號轉換基元組成。識別基元具有分子識別結構，可特異性識別待測物質，信號轉換基元將識別基元產(chǎn)生的化學信號轉換為與分析物特性相關的可識別信號，如電信號、光信號、熱信號等[1，2]。近年來，化學生物傳感器被廣泛應用于疾病診斷與監(jiān)控、藥物開發(fā)、污染物分析檢測、致病微生物檢測及體液中疾病標志物檢測等領域。一個理想的化學生物傳感器應具有以下特征：靈敏度高、選擇性強、線性范圍寬、響應迅速、重復性好、檢測限低、壽命長及穩(wěn)定性好等。為了獲得性能優(yōu)異的化學生物傳感器，在構建過程中需要著重考慮以下因素[3]： （1）選擇合適的識別基元分子； （2）選擇合適的連接方式來連接識別基元與信號轉換基元； （3）設計合適的信號轉換基元，將識別基元產(chǎn)生的化學信號轉化為可識別的信號； （4）通過合理的設計拓寬傳感器的檢測范圍和線性范圍，提高檢測的靈敏度，降低干擾。 因此，構建性能優(yōu)異的化學生物傳感器通常需要豐富的生物、化學及物理知識。隨著當代集成電路技術及微機械技術的快速發(fā)展，對傳感器的小型化要求越來越高，這樣不僅可以大大降低化學生物傳感器的生產(chǎn)成本，還可以減小設備的體積，便于滿足實際應用的需求。 化學生物傳感器根據(jù)信號轉換方式的不同，可分為光學傳感器、電化學傳感器、熱傳感器、壓電傳感器及磁傳感器等，其中光學傳感器是報道*為廣泛的一類化學生物傳感器。相較于其他傳統(tǒng)分析技術，光學傳感器能夠對生物或化學物質進行直接、實時及免標記檢測，具有靈敏度高、特異性強、體積小、成本低等優(yōu)勢。光學傳感器通常采用表面等離子體共振（SPR）技術、光纖或光波導技術、紅外或拉曼技術、熒光技術、化學發(fā)光技術、比色等光學技術作為信號傳導方式[4]。本書主要介紹聚集誘導發(fā)光分子為基礎的熒光生物化學傳感器。 熒光技術由于具有靈敏度高、信號讀取簡便、操作簡單等優(yōu)勢，已成為一種強大的分析檢測技術。特別是在生命過程相關的應用領域，熒光技術可提供實時、在線、非侵入性響應，具有時間和空間上的雙重分辨能力，為生理及生命相關過程的可視化研究提供了高效的工具[5-7]。然而，傳統(tǒng)的熒光分子，如熒光素、羅丹明、花菁等只能在稀溶液中發(fā)強熒光，在高濃度或聚集態(tài)時容易發(fā)生聚集而猝滅，因此，這些分子僅限于稀溶液中的檢測，并且光穩(wěn)定性差，易發(fā)生光漂白，斯托克斯位移較小，導致背景干擾嚴重。而聚集誘導發(fā)光（AIE）分子的出現(xiàn)為熒光技術在生物化學領域的應用帶來了新的契機。AIE分子在溶液態(tài)通常不發(fā)光或弱發(fā)光，而在聚集態(tài)或固態(tài)時具有強發(fā)光，這一特殊的發(fā)光性質被稱為聚集誘導發(fā)光現(xiàn)象。AIE分子通常具有大的斯托克斯位移、好的光穩(wěn)定性和強的抗光漂白能力，因此可有效降低背景信號，為設計點亮型生物化學熒光傳感器帶來了新機遇。AIE的發(fā)光機理主要包括分子內運動受限（RIM）、形成激基締合物、J-聚集、抑制扭曲分子內電荷轉移（TICT）過程及激發(fā)態(tài)分子內質子轉移（ESIPT）等，已被大量的實驗及理論計算研究所證實[8-11]。 根據(jù)AIE的機制，AIE類化學生物傳感器的設計策略（圖1-1）通常有：①通過非共價鍵相互作用，如靜電相互作用、氫鍵、范德瓦耳斯力及金屬-配體相互作用等，與被分析物自組裝形成聚集體引起熒光變化；②在AIE分子上修飾靶向配體來識別被分析物，從而使分子內運動受限；③通過與酶或者特定化學物質反應，斷裂化學鍵，改變AIE分子的溶解性；④干擾光物理猝滅過程，如光誘導電子轉移（PET）、分子內電荷轉移（ICT）、能量傳遞（ET）過程等[11]。根據(jù)這些設計策略，AIE化學生物傳感器的研究已經(jīng)取得了令人興奮的研究成果，并以令人難以置信的速度飛速發(fā)展，為生命科學及生物工程等領域帶來了新的發(fā)展前景。本章將重點介紹AIE類化學生物傳感器在生物相關小分子及大分子傳感中的研究進展及應用。 1.2生物小分子傳感 1.2.1　氨基酸化學生物傳感器 氨基酸是蛋白質的主要組成部分，在生理過程中發(fā)揮著至關重要的作用[12]。例如，賴氨酸（Lys）與鳥氨酸循環(huán)（Krebs-Henseleit循環(huán)）及多胺的合成密切相關；食物中的賴氨酸對動物代謝功能及增重非常重要[13]。組氨酸（His）對組織的生長和修復至關重要[14]。色氨酸（Trp）在蛋白質生物合成、動物生長及植物發(fā)育等生理過程中發(fā)揮重要作用[15]；诎被岬闹匾砉δ，體內缺乏氨基酸會導致各種疾病，例如，缺乏半胱氨酸（Cys）會導致生長緩慢、頭發(fā)褪色、水腫、嗜睡、肝臟損傷等[16]。隨著人們對健康的日益關注及對疾病診斷和治療新方法的迫切需求，許多科學家致力于氨基酸檢測新方法的開發(fā)，AIE類熒光傳感器也被廣泛用于體內重要氨基酸的檢測研究，但是由于各種氨基酸的結構比較類似，因此開發(fā)能夠高選擇性地檢測某種特定氨基酸的熒光傳感器仍是一項巨大的挑戰(zhàn)。 1.賴氨酸化學生物傳感器 賴氨酸是人體必需天然氨基酸之一，與Krebs-Henseleit循環(huán)及多胺的合成密切相關。賴氨酸代謝異常將引起高血糖癥、酵母氨酸尿癥、戊二酸血癥等疾病[17-19]。目前，用于檢測賴氨酸的AIE類化學生物傳感器還非常少，例如，唐本忠、孫景志等[20]報道了1， 3-茚二酮修飾的四苯乙烯（TPE）衍生物IND-TPE（1）［圖1-2（a）］，化合物1在THF/水（體積比為3∶7）混合溶液中聚集，具有強熒光。由于1中連接茚二酮與TPE的碳碳雙鍵可在堿性條件下水解，因此，1能夠選擇性地對20種常見氨基酸中的兩種堿性氨基酸賴氨酸和精氨酸響應，產(chǎn)生的ALD-TPE（2）在THF/水混合溶液中的溶解性更好，因此熒光減弱。1對賴氨酸和精氨酸的檢測限約為0.1 mmol/L。遺憾的是，這種開-關型的響應模式不利于生物成像及檢測，并且1不能有效地區(qū)分賴氨酸和精氨酸，限制了其在生物體系中的應用。 雷自強和馬恒昌等[21]設計了一種AIE類化學生物傳感器3（PEG-TPA-5′）用于賴氨酸檢測，如圖1-2（b）所示。賴氨酸殘基中的脂肪氨基可以與PEG-TPA-5′中的醛基反應，形成席夫堿PEG-TPA-5′-Lys，熒光增強。并且PEG-TPA-5′還可用作賴氨酸響應性的載藥體系。遺憾的是，該傳感器對脂肪胺化合物也有響應。 2015年，Das等[22]開發(fā)了一種基于芘衍生物的AIE化學生物傳感器4（A3）用于特異性識別賴氨酸，如圖1-2（c）所示。在甲醇-HEPES緩沖體系（0.1 mol/L，pH 7.4，4∶1，v/v）中，4顯示芘的衍生物特征的單體發(fā)射（404nm）和激基締合物發(fā)射（505nm），加入低濃度的賴氨酸（0～2.0equiv.）時，單體的發(fā)射峰逐漸減弱，激基締合物的發(fā)射峰強度不斷增強，因此4可對賴氨酸產(chǎn)生比率型響應，檢測限為3.0nmol/L。當加入高濃度的賴氨酸（＞2.0equiv.）后，單體和激基締合物的發(fā)射強度均減弱，在455nm出現(xiàn)新的發(fā)射峰并逐漸增強。這是由于高濃度的賴氨酸加入之后，芘的動態(tài)激基締合物在賴氨酸的作用下逐漸轉化為靜態(tài)激基締合物，當賴氨酸濃度進一步增大到30equiv.時，這種靜態(tài)激基締合物發(fā)生進一步聚集，產(chǎn)生AIE效應，熒光增強。4還可以用于細胞內賴氨酸的熒光成像，具有良好的生物兼容性。這些結果表明，4是一種非常有效的比率型熒光傳感器，用于賴氨酸的特異性識別和檢測。 2.組氨酸化學生物傳感器 組氨酸不僅在保護神經(jīng)細胞的髓鞘形成過程中發(fā)揮重要作用，而且參與了大腦信號向身體各個部分的傳送過程，在肝臟和腎臟參與的重金屬解毒及其他細胞殘骸清除中也發(fā)揮了至關重要的作用[23-25]。因此，組氨酸的檢測在生物化學和分子生物學中具有極其重要的意義。2015年，張德清、張關心和曾艷[26]報道了一種基于銅配合物的AIE熒光傳感器（5 + Cu2+），如圖1-3所示。AIE分子5與Cu2+絡合后，熒光被猝滅，組氨酸可競爭性地與5 + Cu2+中的Cu2+絡合，釋放出分子5，從而聚集導致熒光增強。但是，該傳感器的激發(fā)波長和發(fā)射波長都較短（＜500nm），限制了其在細胞成像及活體內的應用潛力。2016年，蒲林、余孝其和于珊珊等[27]設計合成了AIE型熒光傳感器（6和7，圖1-3），6和7可以分別與Zn2+絡合，原位生成的配合物可以通過比率型響應識別組氨酸，其他天然氨基酸及常見陽離子對識別的干擾較小。 3.巰基氨基酸化學生物傳感器 巰基氨基酸包括半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）和谷胱甘肽（GSH），在保持蛋白質功能的內穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮至關重要的作用[28-32]。半胱氨酸的水平升高與許多神經(jīng)疾病有關，而其含量降低則會導致生長緩慢、頭發(fā)褪色、肝損傷及皮膚損傷等[33，34]。Hcy比半胱氨酸多一個亞甲基，與血管及腎臟疾病密切相關。血液中Hcy含量升高，患心血管疾病、阿爾茨海默病及神經(jīng)管缺陷的風險將大大升高[35]。GSH是含量*豐富的巰基三肽，是調節(jié)細胞內緩沖平衡的重要抗氧化物質。通過捕獲活性氧物種及自由基，GSH可以保護細胞免受氧化應激的損傷，還能影響化療的有效性[36-39]；趲基氨基酸的重要性，科學家針對巰基氨基酸設計了大量的化學生物傳感器，其中AIE類的傳感器也非常多，主要利用巰基參與的化學反應設計，設計策略[40]主要包括：巰基參與的醛基化合物的環(huán)化反應；與α，β-不飽和羰基化合物的邁克爾加成反應；磺酰胺或者磺酸酯鍵的斷裂反應；與丙烯酸酯的共軛加成環(huán)化反應；芳基取代重排反應及自然化學連接等。 1）與醛基化合物的環(huán)化反應 利用巰基與醛基的環(huán)化反應是設計巰基響應化學生物傳感器的常用策略之一。如圖1-4所示，唐本忠、孫景志等[41， 42]開發(fā)了一系列醛基修飾的四苯乙烯或者噻咯衍生物8～10（DMBFDPS、DMTPS-ALD和TPE-ALD），利用它們與Cys或Hcy的反應動力學差異來區(qū)分檢測這兩種結構十分類似的巰基氨基酸。AIE傳感器TPE-ALD、DMBFDPS和DMTPS-ALD在HEPES-DMSO混合溶液（v/v=50∶50）中發(fā)光較弱，隨著Cys的加入，氨基酸殘基中的巰基與傳感器中的醛基迅速反應，生成溶解性更差的噻唑烷衍生物，熒光藍移并大大增強。而加入Hcy后，熒光變化不明顯。其中，AIE傳感器TPE-ALD響應更加迅速，熒光增幅*大，對Cys的靈敏度高、選擇性強。根據(jù)這一設計策略，科學家們進一步設計合成了AIE傳感器11～16[43-47]。11具有聚集誘導發(fā)光增強（AIEE）特性，能夠特異性識別Hcy，檢測限為3.05 μmol/L，并用于HeLa細胞中對Hcy進行熒光成像[43]。馬驤、梅菊等設計合成了具有D-π-A結構的AIE傳感器14，14可以識別Cys和Hcy，對GSH無響應，響應時間2 min，14有望用于Cys和Hcy相關的臨床疾病的診斷[45]。近期，Xie等[46]報道了能夠特異性檢測Hcy的AIEE熒光傳感器15（APTC），15對Hcy的響應非常迅速，僅需5min，檢測限低至21.98nmol/L。15還可制備到固體硅膠板上，用于Hcy的便攜式檢測，并可在活細胞中對Hcy進行熒光成像。 AIE有機熒光納米顆粒具有優(yōu)異的光學性質，近年來備受關注。邢國文、張媛等[47]將親水性的糖單元引入到疏水性的AIE分子上，合成了一種兩親性的AIE熒光傳感器16。16可在水溶液中自組裝形成水溶性的有機納米顆粒2OA-FON。2OA-FON可特異性響應Cys，產(chǎn)生比率型（I500/I575）熒光變化，檢測限為25 μmol/L。2OA-FON可在HepG2細胞內檢測Cys。通過在疏水AIE分子中引入親水性的糖單元形成兩親性有機納米顆粒的策略，為Cys及其他生物被分析物的檢測提供了新的設計策略。

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