唐本忠院士等人 ACS Nano: 分子功能化设计调节细胞器特异性和光动力治疗效率

【背景介绍】

目前，在临床应用中，光动力治疗（PDT）在治疗各种实体瘤中被广泛关注。PDT具有时空精度高、无创伤性、可控性、低毒性以及可重复治疗等优点，其机理与光敏剂（PSs）在光照射下产生活性氧（ROS）有关。ROS主要包括：I型的超氧阴离子（O₂^•-）、羟基自由基（•OH），过氧化物（O₂^2-）；II型的单线态氧（¹O₂）。但是，如何获得一个高效和理想的PSs仍缺乏通用的指导原则。众所周知，卟啉和酞菁类分子是研究最广泛的PSs，并且已在临床中应用。然而，由于这类PSs具有大的共轭体系易在水溶液中聚集，存在聚集导致荧光猝灭（ACQ）效应，会降低荧光强度和PDT效率，从而难以实现成像指导的PDT。因此，具有聚集诱导发光（AIE）特性的PSs有望解决上述问题。AIE PSs在聚集体或纳米颗粒中不仅能够增强荧光强度，而且可有效地产生ROS。但是，对于AIE PSs的结构性能关系及产生ROS的机制研究却相对较少。

【成果简介】

近日，香港科技大学的唐本忠院士和南方医科大学的郑磊教授（共同通讯作者）联合报道了他们以三苯胺-氮杂芴酮为核心设计并合成了一系列PSs。同时，对它们的结构性质-应用关系进行了系统的研究，发现阳离子化分子是通过靶向线粒体来提高AIE PSs的PDT效率的有效策略。从分子单分散状态到聚集状态，由于分子内运动的限制和系间穿越的增强，具有聚集诱导发光（AIE）的PSs同时增强了荧光强度和活性氧产生速率。此外，阳离子化的线粒体靶向PSs的PDT效率高于非离子化的脂滴靶向的PSs。通过将PDT与放射疗法相结合，可以进一步增强AIE PSs杀死癌细胞的能力。总之，该研究结果有利于指导人们设计合成具有更高PDT效率和性能的AIE PSs分子。研究成果以题为“Tuning Organelle Specificity and Photodynamic Therapy Efficiency by Molecular Function Design”发表在国际著名期刊ACS Nano上。

本文共同一作为香港科技大学的刘志洋博士和南方医科大学的邹航博士。

【图文解读】

图一、目标分子的分子结构、摩尔吸收系数和PL光谱

（A）目标材料的分子结构；

（B）THF溶液中TPAN、TPAPy、TPANPF₆和TPAPyPF₆的摩尔吸收系数；

（C）在二氧六环溶液中的TPAN、TPAPy、TPANPF₆和TPAPyPF₆的归一化PL光谱。

图二、目标分子固态的PL光谱，混合溶液中PL强度比值和ROS表征
（A）固态的TPAPy、TPANPF₆和TPAPyPF₆的归一化PL光谱；

（B）在THF/水（TPAPy）或DMSO/水（TPANPF₆和TPAPyPF₆）溶液中相对PL强度（I/I₀）的关系图；

（C）在PBS中有无四种化合物以及不同时间的光照射下，H2DCF-DA在525 nm处的PL强度的变化；

（D）有无四种化合物和光照射下的ABDA的分解速率。

图三、TPANPF₆的ROS表征、PL衰减曲线、治疗机理和示意图
（A）存在TPANPF₆的情况下，在具有不同水含量（f_w）的DMSO/水混合溶液中，在光照射下ABDA的 分解速率；

（B）TPANPF₆在不同条件下的PL衰减曲线；

（C）光动力治疗的基本机理示意图；

（D）TPANPF₆在光照射下处于聚集和分散状态的主要能量消耗方式。

图四、合成分子对HeLa细胞染色共定位成像
（A1-A4）分别用TPAN、TPAPy、TPANPF₆、TPAPyPF₆对HeLa细胞共聚焦成像；

(B1和B2) Nile Red （脂滴），(B3和B4) MitoTracker Deep Red （线粒体）对HeLa细胞共聚焦成像；

（C1-C4）相应的A和B图的合并图像；

（D1-D4）散点图，指示A和B之间的校正系数。

图五、不同浓度目标分子的PDT效率
（A）在暗或白光照射下，不同浓度TPAN染色HeLa细胞的细胞存活率；

（B）在暗或白光照射下，不同浓度TPAPy染色HeLa细胞的细胞存活率；

（C）在暗或白光照射下，不同浓度TPANPF₆染色HeLa细胞的细胞存活率；

（D）在暗或白光照射下，不同浓度TPAPyPF₆染色HeLa细胞的细胞存活率。

图六、放疗和PDT联合疗法的实验评价
（A）用各种处理的HeLa细胞的存活曲线；

（B）不同处理条件下具有代表性的细胞集落形成图。

【小结】

综上所述，作者合成了四种以三苯胺-氮杂芴酮为核的PSs，发现它们仅有细微的官能团差别，却表现出不同的光物理性质和生物应用。研究发现阳离子化分子是提高PSs的PDT效率的有效策略。由于分子的聚集诱导发光机理，AIE PSs表现出从分子分散态到聚集态同时增加荧光强度和ROS生成速率的现象。这有助于轻松实现成像指导的PDT，而不需要复杂的化学合成。此外，AIE PSs也可作为放射治疗的增敏剂，PDT联合放射治疗极大地提高了对癌细胞的杀伤效率。总之，该研究为PSs的分子设计提供了一种新思路。

文献链接：Tuning Organelle Specificity and Photodynamic Therapy Efficiency by Molecular Function Design. (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b04430)

通讯作者简介

唐本忠院士：1994年至今历任香港科技大学化学系助理教授、副教授、教授、讲座教授、张鉴泉理学教授，并兼任香港科技大学工学院化学及生物工程学系讲座教授。2009年当选中国科学院院士。2012年至今担任华南理工大学-香港科技大学联合实验室主任。2013年入选英国皇家化学会Fellow，2015年担任国家人体组织功能重建工程技术研究中心香港分中心主任，2017年起受聘为华南理工大学-香港科技大学联合研究院院长。荣获2017年度何梁何利基金科学与技术进步奖，获得2017年度国家自然科学一等奖，并获得科技盛典-CCTV2018年度科技创新人物。已发表学术论文1500多篇，总引80000多次，h影响因子为136。现任Materials Chemistry Frontier (RSC)总主编，Polymer Chemistry（RSC）和Progress in Chemistry杂志副主编，以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑等。主要从事高分子化学和先进功能材料研究，特别是在聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）这一化学和材料前沿领域取得了原创性成果，是AIE概念的提出者和研究的引领者。

郑磊教授：南方医科大学教授，主任技师，博士研究生导师、博士后合作导师。南方医科大学检验与生物技术学院副院长、南方医院检验医学科主任，广东省重大疾病快速诊断生物传感技术工程中心主任、南方医科大学中英循环生物标志物开发与检测实验室主任。现任包括国际细胞外囊泡协会（ISEV）常委，世界华人检验与病理医师协会副会长、中国细胞外囊泡学会（CSEV）副主委兼秘书长、中国生物物理学会临床分子诊断分会副会长、中华医学会检验分会常委委员、广东省医学会检验分会主任委员等，长期致力于肿瘤循环生物标志物检测与个体化应用、重要疾病标志物早期诊断与筛查生物传感技术的应用基础研究等。

本文由CQR编译。

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