盡管光動(dòng)力治療（photodynamic therapy, PDT）作為一種有前景的癌癥治療方法受到科學(xué)界廣泛應(yīng)用，但高活性光敏劑和強(qiáng)光照仍有導(dǎo)致治療過量的風(fēng)險(xiǎn)。然而，外加的診斷治療探針總是使非原位監(jiān)測(cè)過程變得復(fù)雜和滯后。如何實(shí)時(shí)監(jiān)控光敏劑的治療反應(yīng)，降低其副作用并提高治療效果，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。

香港科技大學(xué)唐本忠院士課題組在開發(fā)聚集誘導(dǎo)發(fā)光（aggregation-induced emission, AIE）材料用于評(píng)估治療反應(yīng)方面做了一系列開創(chuàng)性工作（Chem. - Asian J. 2013, 8, 1806; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2546）。另一方面，他們利用推拉電子效應(yīng)，構(gòu)建了一系列紅/近紅外的AIE光敏劑用于細(xì)胞器靶向的光動(dòng)力癌癥治療（ACS Nano 2018, 12, 8145; Adv. Mater. 2018, 30, 1802105），為開發(fā)聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料用于生物治療提供了一個(gè)新的思路。然而，想要實(shí)現(xiàn)其治療反應(yīng)的評(píng)估，必須加入額外的商用探針，大大增加了體系的復(fù)雜程度和操作難度。

目前為止，聚集誘導(dǎo)發(fā)光領(lǐng)域尚未開發(fā)出可實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)自身光動(dòng)力治療反應(yīng)的熒光材料。在前期工作基礎(chǔ)上，作者通過電荷調(diào)控，開發(fā)了一種帶四個(gè)正電荷的AIE光敏劑，TPE-4EP+，具有極高的單線態(tài)氧產(chǎn)生效率，并在其光動(dòng)力治療誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過程中經(jīng)歷線粒體到細(xì)胞核的易位，從而構(gòu)建原位監(jiān)測(cè)光動(dòng)力治療過程的實(shí)時(shí)自報(bào)告系統(tǒng)（圖1, J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.9b00636）。

圖1. 分子設(shè)計(jì)及原位監(jiān)測(cè)光動(dòng)力治療過程的實(shí)時(shí)自報(bào)告系統(tǒng)示意圖（來源：J. Am. Chem. Soc.）

為了實(shí)現(xiàn)AIE材料的電荷調(diào)控，作者選用典型AIE分子四苯基乙烯（tetraphenylethylene, TPE）作為核心，不同數(shù)目的吡啶鹽為正電荷單元連接在TPE轉(zhuǎn)子上，合成了分別帶有二、三、四個(gè)電荷的AIE材料。因?yàn)榉肿泳哂休^長(zhǎng)的共軛結(jié)構(gòu)以及推拉電子效應(yīng)，三個(gè)分子都具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的發(fā)射（610 nm）。

圖2. TPE-4EP+在光照下的熒光易位現(xiàn)象（來源：J. Am. Chem. Soc.）

在其生物應(yīng)用探究過程中，作者意外地發(fā)現(xiàn)帶有四個(gè)電荷的分子TPE-4EP+在連續(xù)光照下，熒光信號(hào)會(huì)逐漸從線粒體向細(xì)胞核區(qū)域轉(zhuǎn)移（圖2）。同時(shí)伴隨著細(xì)胞體積收縮、胞膜小泡狀以及形態(tài)學(xué)變化等細(xì)胞凋亡的典型特征。

圖3. Annexin V/PI聯(lián)合染色實(shí)驗(yàn)（來源：J. Am. Chem. Soc.）

Annexin V/PI雙染色法實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了TPE-4EP+由線粒體到細(xì)胞核的轉(zhuǎn)移確實(shí)發(fā)生在細(xì)胞凋亡過程中（圖3）。更重要的是，TPE-4EP+可以清楚地區(qū)分不同的細(xì)胞凋亡階段。

圖4. 分子細(xì)胞內(nèi)外的光毒性測(cè)試（來源：J. Am. Chem. Soc.）

緊接著，作者對(duì)三個(gè)AIE分子進(jìn)行了細(xì)胞內(nèi)外的光毒性實(shí)驗(yàn)測(cè)試（圖4）。結(jié)果表明，三個(gè)分子具有極高的單線態(tài)氧產(chǎn)生效率，在白光光照下能有效殺死癌細(xì)胞。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，它們的單線態(tài)氧產(chǎn)生效率和光毒性與其電荷數(shù)目成正比，即TPE-2EP+＜TPE-3EP+＜TPE-4EP+。

圖5. 固定細(xì)胞染色實(shí)驗(yàn)以及DNA響應(yīng)測(cè)試（來源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者進(jìn)行了固定細(xì)胞實(shí)驗(yàn)以及DNA響應(yīng)測(cè)試。結(jié)果表明，TPE-4EP+能特異性靶向固定細(xì)胞的細(xì)胞核，并與DNA特異性結(jié)合，使熒光增強(qiáng)?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)，作者對(duì)TPE-4EP+在細(xì)胞內(nèi)的熒光轉(zhuǎn)移現(xiàn)象作出了合理解釋：在光動(dòng)力治療誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過程中，線粒體膜電位喪失，從而使帶電荷的TPE-4EP+逐漸脫離與線粒體膜的結(jié)合；而又因?yàn)楹四ねㄍ感栽诩?xì)胞凋亡過程中的擴(kuò)大，TPE-4EP+由于靜電吸附的驅(qū)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞核與核內(nèi)大量DNA結(jié)合并點(diǎn)亮細(xì)胞核，從而實(shí)現(xiàn)了光動(dòng)力治療下熒光信號(hào)從線粒體向細(xì)胞核區(qū)域的轉(zhuǎn)移，構(gòu)建原位監(jiān)測(cè)光動(dòng)力治療過程的實(shí)時(shí)自報(bào)告系統(tǒng)。

總結(jié)：

作者通過電荷調(diào)控AIE分子，開辟了一種可視化光動(dòng)力治療的新方法，從而實(shí)現(xiàn)有效評(píng)估治療反應(yīng)，控制光毒性以及治療時(shí)間。此外，TPE-4EP的工作原理可為新一代PS的合理設(shè)計(jì)提供策略。該工作以“In Situ Monitoring Apoptosis Process by a Self-Reporting Photosensitizer”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.9b00636）上，第一作者為香港科技大學(xué)張?zhí)旄徊┦可?，李媛媛博士為共同第一作者。通訊作者為香港科技大學(xué)唐本忠院士（論文作者：Tianfu Zhang, Yuanyuan Li, Zheng Zheng, Ruquan Ye, Yiru Zhang, Ryan T. K. Kwok, Jacky W. Y. Lam,  and Ben Zhong Tang）。