熒光成像技術，以其非侵入性、高靈敏度和高解析度的特徵，已成為疾病早期診斷和治療的重要工具。傳統的聚集誘導發射（AIE）有機高分子熒光聚合物通常由芳香基團和π-共軛亞基構建，常需要複雜的合成步驟和有毒的起始原料，這限制了其在生物醫學領域的應用潛力。近年來，具有非芳香髮色團的新型發光聚合物材料因其良好的親水性、環境友好性、優異的生物相容性、生物可降解性、鏈柔順性和分子可裁剪性等優點，受到了科學界越來越多的關注。然而，這些聚合物普遍存在熒光量子產率低、發射波長短、發光機制不明確、缺乏響應性和生物功能性等問題。因此，設計和開發具有高熒光量子產率、寬發射範圍和生物活性的脂肪族高分子材料，對於深入理解非傳統發光機制及其在生物成像和疾病治療領域的應用具有重大意義。
近日，四川大學高分子科學與工程學院丁明明教授團隊聯合華西醫院骨科運動醫學中心付維力教授團隊以“Redox-switchable multicolor luminescent polymers for theragnosis of osteoarthritis”為題在Nature Communications上報道了一種基於聚氨基酸的熒光材料用於骨關節炎的診斷和治療。研究人員以天然氨基酸為單體，設計併合成了一系列不同聚合度的兩親性聚半胱氨酸。這些聚合物能夠透過氧化還原反應實現熒光的可逆開關，其熒光強度表現出對分子量、濃度和激發波長的依賴性，且具有AIE特性。
圖1. PCys的設計和光物理性質
在本研究中，作者運用含時密度泛函理論（TD-DFT）計算與實驗技術相結合的方法，深入探究了聚半胱氨酸的發光機制。研究發現，該聚合物展現出較高的熒光量子產率和優異的氧化還原響應性，能夠有效地對氧化還原物質進行定量分析，在疾病的診斷和治療領域具有潛在的應用前景。
圖2. 熒光機理和氧化還原響應性
作者進一步探究了聚半胱氨酸在生物醫用領域的應用潛力。鑑於聚合物多色發光特性，研究團隊在發現不同激發波長，聚合物均能夠清晰地標記細胞形態，從而證實其在多色細胞成像領域的應用前景。同時，研究還利用聚半胱氨酸的氧化還原可切換熒光效能，實現了對細胞內氧化還原物質的定量檢測，為生物醫學診斷提供了新的策略。
圖3. 細胞內多色成像和氧化還原物質定量檢測
作者以骨關節炎（OA）為模型評價了聚半胱氨酸用於疾病診療一體化的潛力。實驗結果表明，該聚合物表現出比一線臨床抗氧化藥物N-乙醯半胱氨酸更高效的ROS清除能力及更持久的抗氧化活性，有效地預防了OA進展和軟骨退化。本研究為非共軛聚合物發光機制的理解提供了新的見解，並且為生物活性和生物響應性醫用高分子材料的開發開闢了新途徑。這些材料在生物感測、藥物遞送、疾病診斷和治療等方面展現出巨大的應用潛力。
圖4. 骨關節炎的診療一體化
以上研究成果發表於 Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-024-54473-x）。四川大學Chuan Peng和Yuling Zhu為論文第一作者，丁明明教授和付維力教授為論文的通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委、四川省科技廳和高分子材料工程國家重點實驗室專案資助。
來源：高分子科學前沿
宣告：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
