唐本忠院士等人 ACS Nano: 分子功能化設計調節細胞器特異性和光動力治療效率

【背景介紹】

目前，在臨床應用中，光動力治療（PDT）在治療各種實體瘤中被廣泛關注。PDT具有時空精度高、無創傷性、可控性、低毒性以及可重復治療等優點，其機理與光敏劑（PSs）在光照射下產生活性氧（ROS）有關。ROS主要包括：I型的超氧陰離子（O₂^?-）、羥基自由基（?OH），過氧化物（O₂^2-）；II型的單線態氧（¹O₂）。但是，如何獲得一個高效和理想的PSs仍缺乏通用的指導原則。眾所周知，卟啉和酞菁類分子是研究最廣泛的PSs，并且已在臨床中應用。然而，由于這類PSs具有大的共軛體系易在水溶液中聚集，存在聚集導致熒光猝滅（ACQ）效應，會降低熒光強度和PDT效率，從而難以實現成像指導的PDT。因此，具有聚集誘導發光（AIE）特性的PSs有望解決上述問題。AIE PSs在聚集體或納米顆粒中不僅能夠增強熒光強度，而且可有效地產生ROS。但是，對于AIE PSs的結構性能關系及產生ROS的機制研究卻相對較少。

【成果簡介】

近日，香港科技大學的唐本忠院士和南方醫科大學的鄭磊教授（共同通訊作者）聯合報道了他們以三苯胺-氮雜芴酮為核心設計并合成了一系列PSs。同時，對它們的結構性質-應用關系進行了系統的研究，發現陽離子化分子是通過靶向線粒體來提高AIE PSs的PDT效率的有效策略。從分子單分散狀態到聚集狀態，由于分子內運動的限制和系間穿越的增強，具有聚集誘導發光（AIE）的PSs同時增強了熒光強度和活性氧產生速率。此外，陽離子化的線粒體靶向PSs的PDT效率高于非離子化的脂滴靶向的PSs。通過將PDT與放射療法相結合，可以進一步增強AIE PSs殺死癌細胞的能力。總之，該研究結果有利于指導人們設計合成具有更高PDT效率和性能的AIE PSs分子。研究成果以題為“Tuning Organelle Specificity and Photodynamic Therapy Efficiency by Molecular Function Design”發表在國際著名期刊ACS Nano上。

本文共同一作為香港科技大學的劉志洋博士和南方醫科大學的鄒航博士。

【圖文解讀】

圖一、目標分子的分子結構、摩爾吸收系數和PL光譜

（A）目標材料的分子結構；

（B）THF溶液中TPAN、TPAPy、TPANPF₆和TPAPyPF₆的摩爾吸收系數；

（C）在二氧六環溶液中的TPAN、TPAPy、TPANPF₆和TPAPyPF₆的歸一化PL光譜。

圖二、目標分子固態的PL光譜，混合溶液中PL強度比值和ROS表征
（A）固態的TPAPy、TPANPF₆和TPAPyPF₆的歸一化PL光譜；

（B）在THF/水（TPAPy）或DMSO/水（TPANPF₆和TPAPyPF₆）溶液中相對PL強度（I/I₀）的關系圖；

（C）在PBS中有無四種化合物以及不同時間的光照射下，H2DCF-DA在525 nm處的PL強度的變化；

（D）有無四種化合物和光照射下的ABDA的分解速率。

圖三、TPANPF₆的ROS表征、PL衰減曲線、治療機理和示意圖
（A）存在TPANPF₆的情況下，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在不同條件下的PL衰減曲線；

（C）光動力治療的基本機理示意圖；

（D）TPANPF₆在光照射下處于聚集和分散狀態的主要能量消耗方式。

圖四、合成分子對HeLa細胞染色共定位成像
（A1-A4）分別用TPAN、TPAPy、TPANPF₆、TPAPyPF₆對HeLa細胞共聚焦成像；

(B1和B2) Nile Red （脂滴），(B3和B4) MitoTracker Deep Red （線粒體）對HeLa細胞共聚焦成像；

（C1-C4）相應的A和B圖的合并圖像；

（D1-D4）散點圖，指示A和B之間的校正系數。

圖五、不同濃度目標分子的PDT效率
（A）在暗或白光照射下，不同濃度TPAN染色HeLa細胞的細胞存活率；

（B）在暗或白光照射下，不同濃度TPAPy染色HeLa細胞的細胞存活率；

（C）在暗或白光照射下，不同濃度TPANPF₆染色HeLa細胞的細胞存活率；

（D）在暗或白光照射下，不同濃度TPAPyPF₆染色HeLa細胞的細胞存活率。

圖六、放療和PDT聯合療法的實驗評價
（A）用各種處理的HeLa細胞的存活曲線；

（B）不同處理條件下具有代表性的細胞集落形成圖。

【小結】

綜上所述，作者合成了四種以三苯胺-氮雜芴酮為核的PSs，發現它們僅有細微的官能團差別，卻表現出不同的光物理性質和生物應用。研究發現陽離子化分子是提高PSs的PDT效率的有效策略。由于分子的聚集誘導發光機理，AIE PSs表現出從分子分散態到聚集態同時增加熒光強度和ROS生成速率的現象。這有助于輕松實現成像指導的PDT，而不需要復雜的化學合成。此外，AIE PSs也可作為放射治療的增敏劑，PDT聯合放射治療極大地提高了對癌細胞的殺傷效率。總之，該研究為PSs的分子設計提供了一種新思路。

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

通訊作者簡介

唐本忠院士：1994年至今歷任香港科技大學化學系助理教授、副教授、教授、講座教授、張鑒泉理學教授，并兼任香港科技大學工學院化學及生物工程學系講座教授。2009年當選中國科學院院士。2012年至今擔任華南理工大學-香港科技大學聯合實驗室主任。2013年入選英國皇家化學會Fellow，2015年擔任國家人體組織功能重建工程技術研究中心香港分中心主任，2017年起受聘為華南理工大學-香港科技大學聯合研究院院長。榮獲2017年度何梁何利基金科學與技術進步獎，獲得2017年度國家自然科學一等獎，并獲得科技盛典-CCTV2018年度科技創新人物。已發表學術論文1500多篇，總引80000多次，h影響因子為136。現任Materials Chemistry Frontier (RSC)總主編，Polymer Chemistry（RSC）和Progress in Chemistry雜志副主編，以及20多家國際科學雜志顧問、編委或客座編輯等。主要從事高分子化學和先進功能材料研究，特別是在聚集誘導發光（Aggregation-Induced Emission, AIE）這一化學和材料前沿領域取得了原創性成果，是AIE概念的提出者和研究的引領者。

鄭磊教授：南方醫科大學教授，主任技師，博士研究生導師、博士后合作導師。南方醫科大學檢驗與生物技術學院副院長、南方醫院檢驗醫學科主任，廣東省重大疾病快速診斷生物傳感技術工程中心主任、南方醫科大學中英循環生物標志物開發與檢測實驗室主任。現任包括國際細胞外囊泡協會（ISEV）常委，世界華人檢驗與病理醫師協會副會長、中國細胞外囊泡學會（CSEV）副主委兼秘書長、中國生物物理學會臨床分子診斷分會副會長、中華醫學會檢驗分會常委委員、廣東省醫學會檢驗分會主任委員等，長期致力于腫瘤循環生物標志物檢測與個體化應用、重要疾病標志物早期診斷與篩查生物傳感技術的應用基礎研究等。

本文由CQR編譯。

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