通过多价四唑胺复合物实现的自报告聚集诱导的基因转染系统

《JACS Au》：Self-Reporting Aggregation-Induced Emission Gene Transfection System via Multivalent Tetrazole-Amine Complexation

基因递送系统设计及实时追踪研究。本研究开发了一种基于AIE荧光材料的基因递送体系，通过TPE-4TA与BPEI静电组装形成DNA复合体，实现转染过程的动态可视化。实验表明该体系转染效率达52.7%，较传统BPEI提高4.8%，且保持低细胞毒性（<80%存活率）。荧光响应机制揭示DNA释放与细胞内运输的关键节点，为可追踪基因载体的开发提供新策略。

　　这项研究围绕一种新型的荧光基因传递系统展开，该系统通过将具有酸性四唑基团的四苯基乙烯（TPE）背骨聚集诱导发光（AIE）荧光材料与支化聚乙烯亚胺（BPEI）基因载体结合，实现了对基因传递过程的实时可视化追踪。AIE材料在溶解状态下通常发光较弱，但在聚集状态下能够显著增强发光效果，这种特性使得它们在生物医学领域中具有重要的应用潜力。通过电荷相互作用，TPE-4TA和TPEBM-2TA这两种AIE荧光材料能够与BPEI形成稳定的复合物，同时保持其对DNA的结合能力，从而构建出一个既能实现基因传递又能自我报告传递过程的平台。

在实验中，研究者采用绿色荧光蛋白（GFP）标记的质粒DNA作为模型，验证了该系统在HeLa细胞中的应用效果。结果显示，TPE-4TA/BPEI/DNA复合物的转染效率达到52.7%，显著高于传统BPEI载体的47.9%。这一效率的提升不仅来源于复合物本身的结构优化，还可能与AIE荧光材料在DNA释放过程中的响应特性有关。当DNA从复合物中释放时，AIE荧光材料的发光能力会相应减弱，这一现象可以作为DNA释放的指示信号，为研究基因传递的动态过程提供了直观的依据。

研究还对TPE-4TA/BPEI复合物的物理化学特性进行了系统分析。通过紫外-可见光谱和荧光寿命测量，发现这些复合物在与BPEI结合后，其荧光寿命显著延长，量子产率也大幅提高。这种增强的荧光性能与复合物的结构密切相关，其中TPE-4TA具有四个四唑基团，使其与BPEI的结合更加紧密，从而提升了荧光效率。相比之下，TPEBM-2TA由于仅含有两个四唑基团，其结合能力较弱，因此在实验中被TPE-4TA所取代。此外，通过透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）技术，研究者确认了复合物的纳米结构，显示出其良好的生物相容性和稳定性。

在细胞成像分析方面，研究团队利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对TPE-4TA/BPEI/DNA复合物在细胞内的行为进行了观察。结果显示，该复合物能够迅速附着于细胞膜，并在短时间内实现内吞作用，随后进入细胞内部并沿特定路径运输。在4小时后，绿色荧光蛋白的信号开始增强，表明DNA已被成功释放并表达。同时，蓝光信号的逐渐减弱也进一步验证了DNA的释放过程。这些动态变化为理解基因传递的关键步骤提供了宝贵的视觉信息。

为了进一步验证AIE荧光材料在细胞内的行为，研究者还进行了独立的共染色实验，使用Lyso-tracker试剂对细胞内的溶酶体进行了标记。实验结果显示，TPE-4TA分子在溶酶体内表现出强烈的荧光信号，这与溶酶体的酸性环境（pH约为4-5）以及四唑基团的pKa值（3-5）密切相关。在溶酶体内，四唑基团的质子化会导致TPE-4TA分子的自聚集，从而增强其荧光发射。这一现象不仅说明了TPE-4TA分子在细胞内的定位，也揭示了其在基因传递过程中的重要作用。

此外，研究团队还通过流式细胞术对不同实验组的转染效率进行了定量分析。结果表明，TPE-4TA/BPEI复合物在转染过程中表现出较低的细胞毒性，同时在转染效率上显著优于传统BPEI载体。这表明该系统在保持生物相容性的同时，能够有效提高基因传递的效果。这一发现对于未来基因治疗的应用具有重要意义，因为安全性和效率是基因传递系统成功的关键因素。

在细胞成像过程中，TPE-4TA/BPEI/DNA复合物不仅能够实现对基因传递路径的实时追踪，还能够提供关于细胞膜附着、内吞、运输和释放的详细信息。通过这种多维度的观察，研究者能够更全面地理解基因传递的动态过程，并据此优化系统的设计。例如，研究发现，将TPE-4TA与BPEI预先复合，再与DNA结合，可以提高复合物的荧光性能，从而增强其在细胞内的可视化能力。

值得注意的是，该研究提出了一种新的策略，即利用AIE荧光材料的响应特性来监控基因传递的各个阶段。这种策略不仅提高了研究的直观性，还为基因传递系统的开发提供了新的思路。通过结合荧光信号与生物过程，研究者能够更精准地评估基因传递的效率和安全性，为未来的临床应用奠定了基础。

总的来说，这项研究展示了一种创新的基因传递系统，其核心在于将AIE荧光材料与BPEI载体结合，从而实现对基因传递过程的实时可视化。该系统在保持良好生物相容性的同时，显著提高了转染效率，为基因治疗的研究和应用提供了重要的技术支持。此外，研究还揭示了AIE材料在基因传递中的多重功能，包括响应DNA释放、调节载体与DNA的结合能力以及增强系统的结构稳定性。这些发现不仅拓展了AIE材料在生物医学领域的应用范围，也为设计和开发下一代可追踪的基因传递系统提供了理论依据和实践指导。