今日带来近期发表在J. Am. Chem. Soc.上的“Red-emissive cell-penetrating polymer dots exhibiting thermally activated delayed fluorescence for cellular imaging”。本文的通讯作者是来自英属哥伦比亚大学的Algar教授和Hudson教授。
荧光成像技术可以将复杂生物环境中的细胞结构可视化。然而，有些生物体的自发荧光会降低图像分辨率，在这种情况下，使用长寿命荧光探针能通过时间门控探测（time-gated detection）等方法扣除自发荧光信号，提高信噪比。时间门控探测法中常用的荧光探针有Ru(III)、Ir(III)、Pt(II)或者Ln(III)的配合物，它们可能具有潜在的生物毒性。作为替代物，基于有机物的热激活延迟荧光（thermally activated delayed fluorescence, TADF）材料应运而生。它们能在生理温度下发生三线态激发态向单线态激发态的转变，同时具有短寿命（ns）荧光发射和长寿命（μs-ms）荧光发射，能用于时间门控探测法。
TADF材料具有长寿命三线态激发态，可能被生物体中的氧气淬灭。为了提高光致发光量子产率，它们被共价连接于水溶性高分子。这类偶联物形成的纳米颗粒被称为高分子点（polymer dots, Pdots）。如图1所示，作者将TADF材料与侧链胍基修饰的细胞穿透性高分子共价连接，构成具有两亲性的二嵌段共聚物，能在水溶液中形成胶束，用于细胞内成像。TADF材料中的电子受体均为1, 8-萘二甲酰亚胺（1, 8-napthlalimide, NAI），它的电子供体分别为二甲基-或二苯基吖啶（分别被简写为DMAcN、DPAcN），可高效率地产生红色荧光。相较于蓝绿光发射，红光发射能更好利用生物透明窗口（650-1350 nm波长发射），进一步提高细胞成像信噪比。
图1.细胞穿透性红光TADF材料的制备
作者将聚合物（BGN10–b-M20或者BGN10–b-P20）溶于THF，然后逐渐将去离子水在超声下添加到体系中。除去THF后，聚合物形成了Pdots，它们的直径分别是93、107 nm，量子产率分别是0.15和0.19，而TADF材料通过非共价方式包载于胶束的量子产率仅为0.025。另外，胶束的形成有利于防止氧气对TADF材料的淬灭。氧气存在下，Pdots的量子产率仅下降21-27%，延迟荧光寿命下降<10%，显著优于它们在甲苯中的表现。
图2. (A) Pdots的结构；(B) BGN10–b-M20 和 (C) BGN10–b-P20在无氧/有氧条件下的荧光寿命。
作者将浓度为5-25 μg/mL的Pdots溶液和HeLa、HepG2等细胞孵育30 min，然后用PBS和培养基洗涤，测量它们细胞内的荧光信号。孵育后的细胞平均荧光信号增加非常明显，但是不同细胞的摄取水平不同，HepG2具有最高的细胞摄取，HeLa表现出最少的摄取量。由于Pdots具有很长的荧光寿命，它们能用于时间门控法。如图3(E-H)所示，荧光素染料或者牛血清存在下，50 μs后的荧光发射信号仅来自BGN10–b-M20 Pdots，几乎排除背景干扰。
图3. (A, C) BGN10–b-M20 (25 μg/mL) 和 (B, D) 对照（无 Pdots）孵育的 HepG2 细胞的光致发光和 DIC 图像。(E, F) 荧光素染料、Pdot 溶液以及荧光素和BGN10–b-M20混合物的光致发光光谱和时间门控法光谱 (G, H) BGN10–b-M20 Pdots 在牛血清中的光致发光光谱和时间门控法光谱。
综上所述，作者制备了一种具有两亲性的嵌段共聚物，亲水段的侧链修饰了带有正电荷的胍基，具有较强细胞穿透能力，疏水段侧链是红光TADF材料。水溶液中，这类嵌段共聚物形成稳定胶束，可进入HeLa、HepG2等细胞内部，用于细胞内荧光成像。另外，这类胶束对氧气的稳定性很高，在充气溶液中不会发生荧光淬灭。它们还能保持较长的荧光寿命，应用于时间门控法，显著降低背景信号。
作者：LXY 审校：HYH
DOI: 10.1021/jacs.1c06290
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c06290
