与传统荧光团相比，聚集诱导发光材料（AIEgens）具有多项优势，包括在聚集状态下荧光信号增强、大斯托克斯位移、优异的光稳定性，以及可调控的激发态能量耗散，同时还能实现光疗作用。目前已设计出多种 AIEgens用于癌症、感染和心血管疾病等病症。本综述从临床和转化的角度探讨IEgens 在生物成像和光疗诊断中的生物医学应用。
分子水平和聚集水平的调控
聚集诱导发光材料（AIEgens）具有扭曲的柔性骨架，其功能化修饰有多个可旋转和/或振动的基团（包括苯环和氰基），这使得能够通过结构工程定制分子以满足特定应用需求。在溶液相中，这些基团不受限制的分子内运动（旋转和 / 或振动）通过非辐射途径高效耗散激发态能量，导致荧光发射可忽略不计；而在聚集状态下，分子运动受到限制，抑制了非辐射能量耗散，从而增强了荧光强度。分子水平的调控是精确调节 AIEgens 性质的最有效方法之一。分子聚集水平的调控已被证明有望赋予其理想的性质。而且，AIEgens 的光化学特性和光物理特性可通过 AIEgens 与其他物质之间的分子间相互作用进行调节。
增加波长：为了实现波长红移，具有强电子供体-受体结构且最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占据分子轨道（LUMO）之间能隙较小的分子因其光稳定性而具有应用前景。除了增强电子推拉效应外，通过引入延伸双键来扩大分子的 π 共轭长度也有助于提高光捕获能力。
增强亮度：为了提高吸收能力，已证实引入刚性、平面的 π 共轭单元是有效的，这些单元能促进良好的轨道重叠，使 π 电子在整个共轭体系中离域。为了提高量子产率，可以在聚集诱导发光材料中引入具有大空间位阻的高度扭曲分子骨架，以抑制分子间的 π-π 堆积，这种抑制作用有助于辐射跃迁提高荧光效率。与平面分子相比，分子扭曲程度的增加可能会降低摩尔消光系数，这是由于从 S₀到 S₁的跃迁减弱，以及分子内电荷转移过程减弱导致波长蓝移。调节非共价相互作用（如离子型聚集诱导发光材料与其反离子之间的离子 -π 相互作用）是抑制 π-π 相互作用的可行方法。在水溶液中，水分子与染料分子之间通过氢键、偶极 - 偶极相互作用和其他机制产生相互作用。在分子外围引入疏水烷基链等屏蔽单元可以提供保护，阻碍水分子在荧光团周围的分布，并减弱对辐射衰变产生不利影响的相互作用。
促进系间窜越：聚集诱导发光材料（AIEgens）的活性氧（ROS）生成能力与其光动力治疗效率直接相关，这主要取决于其三重激发态（T₁）向基态氧或其他生物底物的能量或电子转移。产生大量活性氧的第一步是高效的系间窜越过程，以填充三重态激子。系间窜越速率（k₁ₛc）的公式可简化为：
Hₛoc 是自旋 - 轨道耦合矩阵元，ΔEₛ₁-ₜ₁表示最低单重态（S₁）与最低三重态（T₁）之间的能隙。减小 ΔEₛ₁-ₜ₁是增强活性氧生成的有效方法。具有分离的最高占据分子轨道（HOMO）- 最低未占据分子轨道（LUMO）分布的供体 - 受体结构分子具有典型的电荷转移中间态特征，这些中间态可作为桥梁将 ΔEₛ₁-ₜ₁最小化，从而将激子泵送到 T₁态。聚合增强光敏化也是降低 ΔEₛ₁-ₜ₁的有效方法。自旋-轨道耦合与 k₁ₛc 呈正相关，可通过精心调节电子构型来促进。重原子本身具有强自旋 - 轨道耦合作用。引入含有丰富孤对电子的基团（如羰基和甲氧基）也可提高聚集诱导发光材料的自旋 - 轨道耦合常数。
促进热失活：通过热弛豫实现的激发态能量耗散可用于光热治疗。这种局部高温可通过膜破裂、蛋白质变性和不可逆的代谢衰竭来破坏细胞和/或细菌结构。此外，在光热治疗过程中，组织热弹性膨胀产生的声波可用于实现光声成像，其穿透深度可达数厘米。尽管聚集在一定程度上会阻碍 AIEgens 的分子运动，但通过分子设计仍可优化分级聚集结构中的热失活过程。除了引入转子外，将烷基链接枝到 AIEgens 中以扩大分子间空间，也有利于分子的自由运动并促进光热转换。
调控分子聚集：聚集诱导发光材料（AIEgens）聚集后会产生荧光强度和活性氧（ROS）生成等特定性质。在不同层级上对分子聚集进行调控，会显著影响聚集体的性能，从而为性质调节提供一种简便灵活的策略。鉴于聚集程度与分子运动密切相关，通过优化分子排列的规律性来提高无规则无定形聚集体的致密性，可获得高发射性聚集体。J-聚集型的有序堆积分子（分子以滑移堆积方式排列）相较于其单分散分子形式，在实现波长红移和提高摩尔消光系数方面更具优势。为进一步抑制非辐射衰变，在结晶过程中，分子通过形成氢键、C–H…S 和 C–H…π 等多种分子间相互作用，以有序方式组装，分子运动受到高度限制。
调控分子间或分子与基质间的相互作用：通过在聚集诱导发光材料（AIEgens）与其他分子或基质间引入分子间相互作用，能够有效调控聚集体的堆积和运动模式。借助超分子相互作用，可通过大环化合物与 AIEgens 之间的主 - 客体相互作用，或金属离子与 AIE 配体之间的配位驱动自组装，构建多种聚集体。超分子相互作用可通过阻碍分子间的 π-π 堆积或重新排列分子堆积方式来影响 AIEgens，从而为控制 AIEgens 的聚集方式提供了一种灵活的方法，进而影响所得超分子体系中的量子产率和光热转换等光学性质。这些分子间和超分子相互作用可被酸或其他具有强亲和力的竞争性试剂等因素破坏，使体系具备刺激响应特性，可用于靶向药物递送并提高生物相容性。金属有机框架和共价有机框架的明确且周期性的结构，也为调控 AIEgens 的发光性质提供了理想平台。
通过生物工程进行调控
在分子水平和聚集水平上成功调控光学性能至关重要。在将聚集诱导发光材料（AIEgens）作为生物材料应用时，分散性、靶向效率、体内生物分布、生物安全性和免疫原性等因素也同样重要。
用于生物医学应用的 AIE 纳米材料的制备：基于构效关系通过系统训练建立机器学习模型，然后利用该模型预测未知 AIEgens 的性能或设计具有期望性能的 AIEgens1。例如，通过对 62 种多芳基吡咯化合物的理论研究，确定了两个关键描述符，无需实验合成即可预测近红外-II区（1000-1700 nm）的 AIEgens。然而，这些预测的准确性依赖于样本数量，因此在机器学习过程中需要纳入包含多种 AIEgens 和详细信息的综合数据集。纳米技术的出现使得能够形成纳米级结构，使 AIEgens 处于受限、有序的聚集状态，从而发挥其固有优势。通过组装、共沉淀、薄膜水合和共挤出等方法，AIEgens 已成功构建成多种纳米材料，包括聚合物纳米颗粒、脂质体、二氧化硅纳米颗粒、纳米凝胶、金属有机框架、超分子笼和仿生纳米颗粒等
各种载体的固有特性会影响所得 AIE 纳米颗粒的性能。与其他材料相比，聚合物纳米颗粒和脂质体在药物递送系统、生物成像和诊断等应用中取得了最大的转化成功，这得益于它们良好的生物相容性、可调节的理化性质和易于功能化的特点。此外，金属基载体具有优异的光稳定性以及独特的电子和磁性特性，能够实现同时多模态成像，如磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描（PET），而这是其有机对应物无法实现的。碳基材料和二维材料（包括碳纳米管和黑磷）具有大的表面积和高的光热转换效率，这对于药物的共递送和光热疗法的实施非常有利。由生物衍生结构（如膜、蛋白质或外泌体）构建的仿生纳米颗粒具有优异的生物相容性、同源靶向能力以及延长的循环时间，这有可能被用于对抗肿瘤和感染等应用。
功能化：基于雅布隆斯基图和受限分子内运动（RIM）机制，聚集诱导发光材料（AIEgens）的成像和治疗性能可得到很好的定制。分子工程和/或纳米工程可用于解决AIEgens在功能上的局限性，并提高其靶向能力、生物相容性和治疗效果。AIE 纳米颗粒还可通过引入可被肿瘤微环境（如酸性 pH、高 ATP 浓度或过度表达的酶）触发的响应性基团，实现按需释放负载药物，以提高治疗效果并降低副作用。功能化还能赋予 AIE 纳米颗粒多模态成像能力，这对于精确诊断至关重要。例如，将 AIEgens 与磁共振成像造影剂（如 Gd³⁺复合物）或正电子发射断层扫描放射性核素结合，可同时获得高分辨率的荧光成像和深层组织的磁共振成像 / 正电子发射断层扫描图像，从而提高诊断准确性。在治疗方面，AIE 纳米颗粒可通过功能化设计实现联合治疗，如光动力治疗与化疗的结合。例如，将 AIEgens 与化疗药物共包封在同一纳米载体中，在近红外光照射下，AIEgens 产生活性氧进行光动力治疗，同时纳米载体响应刺激释放化疗药物，实现增强的联合化疗 - 光热治疗。
生物医学中的应用
与传统的聚集诱导淬灭荧光团（ACQ）相比，聚集诱导发光材料（AIEgens）具有显著优势：在聚集状态下亮度高、光稳定性优异且斯托克斯位移大。聚集诱导发光材料已被用于生物传感、多重生物成像、体外诊断以及体内疾病的光诊疗研究中。
细胞成像：聚集诱导发光材料（AIEgens）凭借其在聚集状态下发光增强的特性，成为细胞器成像的理想选择。通过对 AIEgens 进行适当的功能化修饰，如引入靶向特定细胞器的基团（如针对线粒体的三苯基膦、针对溶酶体的吗啉基团等），可以实现对线粒体、溶酶体、内质网、高尔基体、细胞核等多种细胞器的特异性成像。这些靶向 AIEgens 能够在特定细胞器内聚集并发出强烈荧光，从而清晰地显示细胞器的形态、分布和动态变化。例如，线粒体靶向的 AIEgens 可用于监测线粒体的活性、膜电位变化以及在细胞凋亡过程中的形态学改变；溶酶体靶向的 AIEgens 则有助于研究溶酶体的降解功能和自噬过程。此外，基于受限分子内运动（RIM）、光诱导电子转移、分子内电荷转移、福斯特共振能量转移阻断等机制的 AIEgens，在复杂生物环境中展现出较高的诊断准确性。
体内生物成像与光诊疗：具有近红外发射特性的 AIE 纳米颗粒能够减少生物组织对光的吸收和散射，从而实现更深层次的成像，例如对肿瘤、血管和器官的清晰可视化。通过表面修饰靶向配体，AIE 纳米颗粒可以特异性地聚集在病变部位，提高成像的对比度和准确性，有助于疾病的早期诊断和监测。在光诊疗领域，AIEgens 集诊断与治疗功能于一体，可实现实时成像引导下的精准治疗。
人体临床样本的体外诊断：基于 AIEgens 的诊断平台可用于检测多种生物标志物，如蛋白质、核酸、小分子代谢物和外泌体等，这些生物标志物的异常表达与多种疾病（包括癌症、传染病和神经退行性疾病）密切相关。例如，在癌症诊断中，AIEgens 可通过与肿瘤标志物（如癌胚抗原、前列腺特异性抗原）特异性结合，产生可检测的荧光信号，实现对癌症的早期筛查和诊断。此外，AIEgens 还可用于设计基于荧光的侧向流免疫测定试纸条，该试纸条操作简便、检测快速，适用于基层医疗和现场诊断。在传染病诊断方面，AIEgens 可用于检测病原体（如细菌、病毒和寄生虫）及其相关标志物。通过设计靶向病原体特定成分的 AIE 探针，能够实现对病原体的高灵敏度检测，缩短诊断窗口期。通过根据疾病相关生物活性物质的特征定制 AIEgens，该类材料还被用于评估卵母细胞衰老和器官损伤等。
临床转化
将聚集诱导发光材料（AIEgens）从实验室研究转化为临床应用，需要克服一系列挑战，包括大规模生产的可行性、长期生物安全性以及与现有临床流程的兼容性等。标准化的合成和表征方法对于确保 AIE 纳米材料的批间一致性至关重要，这是其进入临床应用的前提条件。此外，优化给药途径（如静脉注射、局部给药等）和剂量，以提高治疗效果并减少副作用，也是转化研究中的关键环节。AIEgens 的体内生物相容性已在细胞水平和多尺度动物模型中得到证实。患者来源的肿瘤异种移植模型是转化癌症研究的合适临床前模型，因为它在很大程度上保留了患者原发肿瘤的特征，包括组织病理学特征和肿瘤内异质性。例如，研究人员设计了一种微泡与 AIEgen 杂交的纳米系统，在膀胱癌患者来源的异种移植小鼠模型中实现了声动力治疗。在使用 AIEgens 的患者来源肿瘤异种移植模型中观察到的诊疗结果，为进一步的临床前体内研究提供了坚实的基础。
总结
聚集诱导发光材料（AIEgens）在生物医学领域的应用前景广阔，未来的研究将聚焦于多个关键方向以推动其从基础研究向临床应用转化。（1）开发具有近红外二区（NIR-II）发射特性的 AIEgens 是重要趋势之一，这类材料能减少生物组织对光的吸收和散射，显著提升深层组织成像的清晰度和穿透力，为体内疾病诊断提供更精准的可视化信息。（2）通过将成像、治疗、药物递送等功能整合到单一 AIE 纳米平台中，可实现诊断与治疗的协同进行，提高疾病诊疗的效率和准确性。（3）人工智能和机器学习技术在 AIEgens 的设计中也将发挥更大作用。通过构建基于大量实验数据的预测模型，可加速新型 AIEgens 的开发过程，精准调控其光学性能、生物相容性和靶向能力，从而优化其在生物医学中的应用效果。（4）AIEgens 与其他前沿生物技术的结合将开辟新的应用场景。（5）关注 AIEgens 在复杂生物环境中的行为，如非特异性生物分子吸附、蛋白质冠的形成等，这些因素可能影响 AIE 分子的光学性能和 AIE 纳米颗粒的稳定性。（6）基于 CRISPR 的成像方法因其高特异性和灵敏度，正逐渐成为单生物分子成像的工具。（7）通过 3D 打印技术与聚集诱导发光材料共同构建的医疗植入物，可作为评估用于组织工程和支架植入的临床植入物治疗效果的有效手段。（8）聚集诱导发光材料还被探索作为有效的原位肿瘤疫苗，可利用光动力疗法或光热疗法诱导免疫原性细胞死亡，从而激发全身性抗肿瘤免疫反应。
参考文献
In vivo, clinical and translational aspects of aggregation-induced Emission,Dingyuan Yan ,Dong Wang 1 & Ben Zhong Tang ,Nat. Rev. Bioeng,https://doi.org/10.1038/s44222-025-00342-1
