新加坡国立大学刘斌课题组Adv. Mater.: 具有聚集诱导发光性质的光敏剂的设计合成及生物应用

【引言】

光动力学治疗是一种利用光敏剂、光和内源氧来达到杀死癌细胞和微生物的治疗方法。光敏剂本身是没有生物毒性的，但在光照下会发生光化学反应产生十分活泼的单线态氧，可引起细胞死亡。因为光动力治疗可通过调节光照射面积来实现对治疗效果的控制，以此来减少对正常组织和器官的副作用。光动力治疗也因此吸引了科学家的广泛关注。

到目前为止，各种各样的光敏剂被开发出来用于光动力学治疗。合格的光敏剂应该满足以下几个基本标准：黑暗环境下很好的生物相容性，光照下较高的ROS产率，长波长范围内较强的吸收以及很好的抗光漂白性能。不少光敏剂已经实现了在临床上的光动力学治疗，比如卟吩姆钠已经被批准用于表面肿瘤治疗。

【成果简介】

近日，新加坡国立大学的刘斌教授（通讯作者）在Adv. Mater.上，发表了题为"Photosensitizers with Aggregation-Induced Emission: Materials and Biomedical Applications"的综述。文章详细总结了具有聚集诱导发光(AIE)性质的光敏剂的设计原理和生物应用，以及相对于传统光敏剂，具有AIE性质的光敏剂的优势。目前，各种各样的AIE光敏剂已经用在了癌细胞清除、细菌杀伤和成像辅助治疗方面都取得了很好的效果。

【图文导读】

Figure 1.光敏剂的工作原理图

(a).光敏剂受到光照，能量从三线态转移到氧，产生单线态氧

(b).AIE光敏剂的非辐射跃迁过程受到抑制，因而单线态氧的产生效率较高

Figure 2.几种光敏剂的化学结构

Figure 3.含有重原子碘和溴的生色团化学结构

Figure 4.通过LUMO和HOMO来调节带隙

Figure 5.拥有较小带隙的光敏剂

Figure 6.典型的AIEgen结构和TPE衍生的AIE光敏剂

Figure 7.T1-6化学结构，以及T6的HOMO和LUMO电子云分布

Figure 8.TPETP-AA-Rho-cRGD化学结构和工作原理

(a).TPETP-AA-Rho-cRGD化学结构

(b). TPETP-AA-Rho-cRGD光照不同时间后的激光共聚焦成像

Figure 9.AIE光敏剂对细菌的光动力学治疗

(a).TPE-Bac的化学结构，以及对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的光动力学治疗

(b). TPE-A-Py⁺的化学结构，以及对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的光动力学治疗

Figure 10.TPE-IQ和TPE-IQ-2O的化学结构，以及细胞成像

(a).TPE-IQ的化学结构，以及对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的光动力学治疗

(b,c). 含有TPE-IQ的细胞，光照0分钟和10分钟后的细胞成像

(d).TPE-IQ-2O的化学结构，以及对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的光动力学治疗

(e,f). 含有TPE-IQ-2O的细胞，光照0分钟和10分钟后的细胞成像

Figure 11.AIE光敏剂对癌细胞的光动力学治疗

(a).TPECM-2TPP的化学结构

(b).TPECM-2TPP在光照下和黑暗中的细胞毒性

(c).DPA-SCP的化学结构

(d).DPA-SCP在不同条件下的细胞毒性

Scheme 1.AIE光敏剂作为分子探针的设计思路

Figure 12.AIE光敏剂通过特异性靶向实现光动力学治疗

(a).TPE-red-2AP2H的化学结构和特异性细胞诊疗

(b).TPETH-2T7的化学结构和特异性细胞诊疗

(c).AIE-2Van的化学结构和特异性细菌诊疗

Figure 13.通过细胞代谢和生物正交实现细胞成像和光动力学治疗

Figure 14.TPEPY-S-MMC的化学结构，以及药物治疗和光动力学治疗机理

Figure 15.TPECM-2GFLGD₃-cRGD基于组织蛋白酶响应的光动力学治疗

(a).TPECM-2GFLGD₃-cRGD的化学结构

(b).TPECM-2GFLGD₃-cRGD对MDA-MB-231的选择性成像

(c).TPECM-2GFLGD₃-cRGD对MDA-MB-231的选择性杀伤

Figure 16.结合靶向和激活双重性能的分子用于光动力学治疗

(a).TPETF-NQ-cRGD的化学结构和机理

(b). cRGD-S-AC₃ManNAz的化学结构和机理

Scheme 2.图示通过自组装和纳米沉淀制备AIE光敏剂纳米粒子

Figure 17.由BPAPN和线粒体靶向的TPP构成的两亲性高分子

Figure 18.P(TPECM-AA-OEI)-g-mPEG用于载药

(a).P(TPECM-AA-OEI)-g-mPEG的化学结构

(b).P(TPECM-AA-OEI)-g-mPEG通过自组装形成纳米粒子，并通过静电作用负载DNA

(c).P(TPECM-AA-OEI)-g-mPEG实现DNA转染

Figure 19.TTD纳米粒子在细胞和肿瘤中实现光动力学治疗

(a).TTD的化学结构和纳米粒子合成路线

(b).TTD纳米粒子的特异性细胞成像

(c).TTD纳米粒子的特异性细胞光动力学治疗

(d).TTD纳米粒子的肿瘤光动力学治疗

Figure 20.通过生物正交标记实现细菌的诊疗

(a).TPETM的化学结构，D-AzAla@MIL-100(Fe)和TPETM纳米粒子示意图

(b).D-AzAla@MIL-100(Fe)分解，在炎症部位释放D-AzAla，在细菌外壁上生成叠氮基团

(c).TPETM通过生物正交标记实现细菌的特异性细胞光动力学治疗

Figure 21.TTD纳米粒子在肿瘤中实现光动力学治疗

(a).图示表面修饰的T6纳米粒子在肿瘤中成像和治疗

(b).4T1肿瘤在不同处理后的尺寸大小随时间的变化

Figure 22.UCNP@P-BPAPN-TPP-PEG纳米粒子在肿瘤中酸性环境下的线粒体靶向和肿瘤治疗

Figure 23.TPEDC的双光子光动力学治疗

(a).TPEDC的化学结构

(b).TPEDC纳米粒子在不同波长下的双光子吸收截面

(c).HeLa细胞中ROS产生的检测

(d,e).细胞负载TPEDC纳米粒子在800nm激光扫描30次和120次后的活死细胞成像

Figure 24.化学发光结合光动力学治疗

(a).TBD和CPPO的化学结构，以及化学发光产生单线态氧的示意图

(b).小鼠体内化学发光成像

(c).肿瘤在不同处理后的尺寸大小随时间的变化

【结论与展望】

光动力学治疗作为一种非侵入式的治疗模式，在治疗和成像中得到了广泛的应用。因为光动力治疗的效果与光敏剂单线态氧的产生息息相关，因此光敏剂的开发吸引了很多科学家的目光。在这个综述中，作者主要总结了传统光敏剂的设计策略，并在此基础上对比和讨论了具有聚集诱导发光性质光敏剂的设计原理和应用。目前，各种各样的AIE光敏剂已经用在了癌细胞清除、细菌杀伤和成像辅助治疗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)

本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。  

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