超分子组装激活的单分子磷光共振能量转移用于近红外靶向细胞成像

在近几年，纯有机磷光共振能量转移（Phosphorescence Resonance Energy Transfer, pret）研究成为了一个热门课题。本文中，作者们通过客体分子烷基桥连的甲氧基四苯乙烯苯基吡啶衍生物（tpe-dpy），不同参数的葫芦脲（Cucurbit[n]uril, n = 7, 8），以及β-环糊精修饰的透明质酸（Hyaluronic Acid, hacd），构建了一个具有大斯托克斯位移（367nm）和近红外（NIR）发射的单分子pret系统。作者们通过这种系统成功应用于癌细胞的线粒体靶向成像。

研究背景

超分子组装因其在分子识别、催化、荧光材料、医学和传感中的重要应用而长期备受关注。特别是基于大环化合物的超分子组装因其能够抑制单线态或三线态激子的振动，从而诱导和改善客体分子的光物理特性，尤其是室温磷光（room-temperature Phosphorescence, RTP），而引起了大量研究的兴趣。尽管在RTP系统上取得了迅速发展，实现可调的磷光发射，特别是在NIR区域仍面临巨大挑战。这一限制主要是由于能量间隙定律（Energy-gap Law）的约束。

论文来源

这篇论文由来自南开大学化学学院, 元素有机化学国家重点实验室, 化学科学与工程协同创新中心的研究人员Xiaolu Zhou, Xue Bai, Fangjian Shang, Heng-yi Zhang, Li-hua Wang, Xiufang Xu和Yu Liu撰写，并发表在《Nature Communications》。该研究于2024年5月28日被接受，并能在2024年15卷4787页找到。

研究工作流程

研究对象

该研究主要关注如何通过葫芦脲和环糊精修饰的透明质酸来构建单分子pret系统进行靶向线粒体成像。在研究中，作者们探索了超分子组装的的拓扑形态和结合行为，以及通过二级组装激活单分子的pret过程。

实验步骤

1. 合成和表征客体分子：

   • Methoxy-tetraphenylethylene与不同数量的alkyl-bridged phenylpyridines通过Mizoroki-Heck反应和烷基取代反应进行合成。
   • 通过^1H NMR, ^13C NMR, 2D COSY和高分辨质谱（HRMS）进行详细表征。

2. 探索葫芦脲的结合行为和拓扑形态：

   • 通过^1H NMR, UV-Vis光谱滴定和2D ROESY/DOSY谱探讨tpe-dpy与CB[7]和CB[8]的结合行为。
   • 使用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察不同组装的形态变化。

3. 二级超分子组装和单分子pret激活：

   • 将hacd引入tpe-dpy/CB[7]/CB[8]体系，构建二级组装，并观察其拓扑形态变化。
   • 通过动态光散射（DLS）、TEM和zeta电位实验进一步表征二级组装，并研究pret过程的光学性质。

4. 配光性质和机理研究：

   • 探索不同组装体的光物理性质及其背后的机制，包括RTP和pret行为。
   • 使用DFT（密度泛函理论）和TDDFT（时间依赖密度泛函理论）计算来支持实验结果。

5. 癌细胞靶向成像：

   • 使用人宫颈癌细胞（HeLa）和人胚胎肾细胞（293T）进行靶向成像实验，通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观测细胞内部的NIR发光信号。

关键实验详述

合成tpe-dpy

在氮气保护下，4,4′-[[2,2-双（4-甲氧基苯基）亚乙基二亚基]双（4,1-苯乙烯基二亚基）]吡啶（54mg，0.09mmol）和py-1（94.5mg，0.22mmol）溶解于5ml乙腈中，混合物在85°C加热36小时。反应后，使用超声波清洗乙腈溶剂，蒸发乙腈并用丙酮清洗。最后，通过加热过滤和重结晶纯化获得产物。

探讨tpe-dpy与葫芦脲的结合行为

1收集tpe-dpy和CB[8]以及CB[7]体系的^1H NMR和UV-Vis光谱，并通过JOB 计算结合常数。 2通过2D ROESY和2D DOSY谱探讨结合模式，最终确定tpe-dpy和CB[8]为1:1 配比，而与CB[7]为1:4 配比。

光物理特性研究

当tpe-dpy与CB[7]（1:2 或1:4）或CB[8]的二元组装体发生变化时，吸收峰均有不同程度的红移。在tpe-dpy与2CB[7]、4CB[7]、CB[8]和CB[7]/CB[8]体系中，PL光谱显示在530nm附近有大量发射峰，说明该系统具有较长寿命的特色。

二级组装与pret激活: 1. 测定tpe-dpy与CB[7]/CB[8]在加入hacd后的结构变化，通过DLS、TEM和zeta电位实验探讨其组装行为。 2. 展示体系在330nm激发下的pret反应，感受到近红外的延时荧光在700nm。

癌细胞成像应用: 1. 比较tpe-dpy/CB[7]/CB[8]@hacd在HeLa和293T 细胞中的成像表现。 2. 通过colocalization分析确认NIR 信号聚焦于线粒体。

研究结论及意义

本文成功激活了一个基于大环约束的单分子pret 系统，并在癌细胞中实现了NIR 延时荧光发射。借助不同空腔尺寸的CB[7] 和CB[8]，初级组装tpe-dpy呈现可调节的拓扑形态。而二级组装 hacd 进一步激活单分子pret，生成700nm 的NIR 延时荧光发射。这种体系展示了大斯托克斯位移（367nm），并在癌细胞线粒体靶向成像中展现了成功应用，提供单分子pret构建和应用的可行性路径。

研究亮点

1. 大斯托克斯位移（367nm）: 该体系显著大幅度斯托克斯位移使其具有明显的光学特性。
2. 多参数葫芦脲构建的超分子拓扑形态: 不同配比下葫芦脲参与体系组装，展示了从纳米球、纳米棒到多层次纳米板的演变形态。
3. 单分子级pret和NIR发射成像: 在癌细胞成像中成功实现了特定的NIR（700 nm）延时荧光发射，展示了其在医学成像领域的潜力。

该研究不仅提供了一个新颖的方法来激活单分子pret系统，同时为NIR靶向成像的应用提供了新的可能性。未来可能的研究方向包括进一步优化pret系统以提高发光效率，并探索其在其他生物医学领域中的应用。