新加坡國立大學劉斌課題組Adv. Mater.: 具有聚集誘導發光性質的光敏劑的設計合成及生物應用

【引言】

光動力學治療是一種利用光敏劑、光和內源氧來達到殺死癌細胞和微生物的治療方法。光敏劑本身是沒有生物毒性的，但在光照下會發生光化學反應產生十分活潑的單線態氧，可引起細胞死亡。因為光動力治療可通過調節光照射面積來實現對治療效果的控制，以此來減少對正常組織和器官的副作用。光動力治療也因此吸引了科學家的廣泛關注。

到目前為止，各種各樣的光敏劑被開發出來用于光動力學治療。合格的光敏劑應該滿足以下幾個基本標準：黑暗環境下很好的生物相容性，光照下較高的ROS產率，長波長范圍內較強的吸收以及很好的抗光漂白性能。不少光敏劑已經實現了在臨床上的光動力學治療，比如卟吩姆鈉已經被批準用于表面腫瘤治療。

【成果簡介】

近日，新加坡國立大學的劉斌教授（通訊作者）在Adv. Mater.上，發表了題為"Photosensitizers with Aggregation-Induced Emission: Materials and Biomedical Applications"的綜述。文章詳細總結了具有聚集誘導發光(AIE)性質的光敏劑的設計原理和生物應用，以及相對于傳統光敏劑，具有AIE性質的光敏劑的優勢。目前，各種各樣的AIE光敏劑已經用在了癌細胞清除、細菌殺傷和成像輔助治療方面都取得了很好的效果。

【圖文導讀】

Figure 1.光敏劑的工作原理圖

(a).光敏劑受到光照，能量從三線態轉移到氧，產生單線態氧

(b).AIE光敏劑的非輻射躍遷過程受到抑制，因而單線態氧的產生效率較高

Figure 2.幾種光敏劑的化學結構

Figure 3.含有重原子碘和溴的生色團化學結構

Figure 4.通過LUMO和HOMO來調節帶隙

Figure 5.擁有較小帶隙的光敏劑

Figure 6.典型的AIEgen結構和TPE衍生的AIE光敏劑

Figure 7.T1-6化學結構，以及T6的HOMO和LUMO電子云分布

Figure 8.TPETP-AA-Rho-cRGD化學結構和工作原理

(a).TPETP-AA-Rho-cRGD化學結構

(b). TPETP-AA-Rho-cRGD光照不同時間后的激光共聚焦成像

Figure 9.AIE光敏劑對細菌的光動力學治療

(a).TPE-Bac的化學結構，以及對大腸桿菌和表皮葡萄球菌的光動力學治療

(b). TPE-A-Py⁺的化學結構，以及對大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的光動力學治療

Figure 10.TPE-IQ和TPE-IQ-2O的化學結構，以及細胞成像

(a).TPE-IQ的化學結構，以及對大腸桿菌和表皮葡萄球菌的光動力學治療

(b,c). 含有TPE-IQ的細胞，光照0分鐘和10分鐘后的細胞成像

(d).TPE-IQ-2O的化學結構，以及對大腸桿菌和表皮葡萄球菌的光動力學治療

(e,f). 含有TPE-IQ-2O的細胞，光照0分鐘和10分鐘后的細胞成像

Figure 11.AIE光敏劑對癌細胞的光動力學治療

(a).TPECM-2TPP的化學結構

(b).TPECM-2TPP在光照下和黑暗中的細胞毒性

(c).DPA-SCP的化學結構

(d).DPA-SCP在不同條件下的細胞毒性

Scheme 1.AIE光敏劑作為分子探針的設計思路

Figure 12.AIE光敏劑通過特異性靶向實現光動力學治療

(a).TPE-red-2AP2H的化學結構和特異性細胞診療

(b).TPETH-2T7的化學結構和特異性細胞診療

(c).AIE-2Van的化學結構和特異性細菌診療

Figure 13.通過細胞代謝和生物正交實現細胞成像和光動力學治療

Figure 14.TPEPY-S-MMC的化學結構，以及藥物治療和光動力學治療機理

Figure 15.TPECM-2GFLGD₃-cRGD基于組織蛋白酶響應的光動力學治療

(a).TPECM-2GFLGD₃-cRGD的化學結構

(b).TPECM-2GFLGD₃-cRGD對MDA-MB-231的選擇性成像

(c).TPECM-2GFLGD₃-cRGD對MDA-MB-231的選擇性殺傷

Figure?16.結合靶向和激活雙重性能的分子用于光動力學治療

(a).TPETF-NQ-cRGD的化學結構和機理

(b). cRGD-S-AC₃ManNAz的化學結構和機理

Scheme 2.圖示通過自組裝和納米沉淀制備AIE光敏劑納米粒子

Figure 17.由BPAPN和線粒體靶向的TPP構成的兩親性高分子

Figure 18.P(TPECM-AA-OEI)-g-mPEG用于載藥

(a).P(TPECM-AA-OEI)-g-mPEG的化學結構

(b).P(TPECM-AA-OEI)-g-mPEG通過自組裝形成納米粒子，并通過靜電作用負載DNA

(c).P(TPECM-AA-OEI)-g-mPEG實現DNA轉染

Figure 19.TTD納米粒子在細胞和腫瘤中實現光動力學治療

(a).TTD的化學結構和納米粒子合成路線

(b).TTD納米粒子的特異性細胞成像

(c).TTD納米粒子的特異性細胞光動力學治療

(d).TTD納米粒子的腫瘤光動力學治療

Figure 20.通過生物正交標記實現細菌的診療

(a).TPETM的化學結構，D-AzAla@MIL-100(Fe)和TPETM納米粒子示意圖

(b).D-AzAla@MIL-100(Fe)分解，在炎癥部位釋放D-AzAla，在細菌外壁上生成疊氮基團

(c).TPETM通過生物正交標記實現細菌的特異性細胞光動力學治療

Figure 21.TTD納米粒子在腫瘤中實現光動力學治療

(a).圖示表面修飾的T6納米粒子在腫瘤中成像和治療

(b).4T1腫瘤在不同處理后的尺寸大小隨時間的變化

Figure 22.UCNP@P-BPAPN-TPP-PEG納米粒子在腫瘤中酸性環境下的線粒體靶向和腫瘤治療

Figure 23.TPEDC的雙光子光動力學治療

(a).TPEDC的化學結構

(b).TPEDC納米粒子在不同波長下的雙光子吸收截面

(c).HeLa細胞中ROS產生的檢測

(d,e).細胞負載TPEDC納米粒子在800nm激光掃描30次和120次后的活死細胞成像

Figure 24.化學發光結合光動力學治療

(a).TBD和CPPO的化學結構，以及化學發光產生單線態氧的示意圖

(b).小鼠體內化學發光成像

(c).腫瘤在不同處理后的尺寸大小隨時間的變化

【結論與展望】

光動力學治療作為一種非侵入式的治療模式，在治療和成像中得到了廣泛的應用。因為光動力治療的效果與光敏劑單線態氧的產生息息相關，因此光敏劑的開發吸引了很多科學家的目光。在這個綜述中，作者主要總結了傳統光敏劑的設計策略，并在此基礎上對比和討論了具有聚集誘導發光性質光敏劑的設計原理和應用。目前，各種各樣的AIE光敏劑已經用在了癌細胞清除、細菌殺傷和成像輔助治療方面都取得了很好的效果。

Photosensitizers with Aggregation-Induced Emission: Materials and Biomedical Applications

?(Adv. Mater., 2018, DOI: 10. 1002/adma.201801350)

本文由材料人學術組gaxy供稿，材料牛整理編輯。 ?

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