来源:Molecules 发布时间:2022/2/23 18:26:59
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唐本忠院士团队:聚集诱导发光材料研究热点介绍——让癌细胞“见光死” | MDPI Molecules

论文标题:Aggregation-Induced Generation of Reactive Oxygen Species: Mechanism and Photosensitizer Construction(聚集诱导发光材料研究热点介绍——光敏剂的作用机理及结构)

期刊:Molecules

作者:Juechen Ni, Yijia Wang, Haoke Zhang, Jing Zhi Sun and Ben Zhong Tang

发表时间:7 January 2021

DOI:10.3390/molecules26020268

微信链接:

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5MzU5MDkwMg==&mid=2247504723&idx=1&sn=0e3fa

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/molecules

作者简介

唐本忠 院士

香港中文大学 (深圳)

唐本忠,香港中文大学 (深圳) 冠名校长讲座教授、理工学院院长。主要从事材料科学、高分子化学、生物医学诊疗等。唐教授是聚集诱导发光原创性科学概念的提出者和该领域研究的引领者。唐本忠教授于1982年和1988年分别在华南理工大学和日本京都大学取得学士学位和博士学位;于1989-1994年在加拿大多伦多大学进行了博士后研究并于Neos公司任高级研究员;1994年加入香港科技大学从事学术研究工作;2008年晋升为讲席教授。唐教授已发表科学论文1600余篇,他引13万余次,H指数163。自2014年至今,唐教授连续入选化学和材料科学双领域高被引用科学家。唐教授获得多项荣誉及奖励,如国家自然科学一等奖 (2017)、何梁何利科学与技术进步奖 (2017)、裘槎高级研究成就奖 (2007) 等。唐教授是中国科学院院士、发展中国家科学院院士、亚太材料科学院院士、国际生物材料科学与工程学会联合会会士、英国皇家化学会会士。2021年11月,第七届Nano Today会议将2021 Nano Today Award授予唐教授,以表彰其在纳米结构材料领域的开创性研究,这是中国高校中首位荣获该奖项的科学家。

引言

唐本忠院士是聚集诱导发光 (Aggregation-Induced Emission, AIE) 原创性科学概念的提出者和该领域研究的引领者。经过20年的发展,AIE新概念已经在化学、物理学、材料科学、生命科学和医学与健康等众多领域得到广泛研究和应用,其中在生命科学和医学与健康领域的应用显示了广阔的发展前景。唐本忠院士团队于2021年发表在Molecules 期刊上的这篇综述,介绍了AIE新概念发光材料在光动力疗法 (Photodynamic Therapy, PDT) 领域的近期研究成果。

主要内容

01 光动力治疗的分子机制,光动力治疗方法的特点和面临的挑战

光动力治疗法 (PDT) 是治疗癌症的一种新方法,已在膀胱癌、食管癌、支气管癌和肝癌等多种癌症的治疗中初见成效。PDT具有高选择性和低副作用的特点,作为一种无创的癌症治疗方式,在很大程度上免除了癌症患者饱受化疗、放疗药物的严重副作用和不断复发的煎熬。PDT的实现需要三个物质条件:光敏剂 (Photosensitizer, PS)、光源 (用于激活光敏剂的可见光或近红外光)、溶解在目标组织中的分子氧。其中,光敏剂的作用是将光子能量转移到周围的氧分子,产生活性氧 (Reactive Oxygen Species, ROS),特别是单线态氧 (1O2)。这些ROS会导致细胞死亡 (图1)。在被研究过的众多光敏剂中,卟啉和酞菁衍生物已经被应用于临床。这两类光敏剂具有快速系间窜跃和长三重态寿命的优点,但它们较差的水溶性引起的在水环境中的聚集猝灭荧光效应 (ACQ) 导致其PDT效率降低。为了解决这个问题,设计和开发在水环境中具有优异荧光性能的新型PS具有重要理论意义和应用价值。

图1. 以AIE型荧光分子为代表的光敏剂引发ROS产生的机理示意图。

02 AIE概念、原理和聚集诱导活性氧产生机制

AIE是唐本忠教授在2001年报道的一个新的发光现象,具有AIE性能的分子在其良溶剂的稀溶液中不发光或者非常微弱地发光,但是在由良溶剂与不良溶剂混合体系形成的悬浊液中或者在固态下,分子却能发出高亮度的荧光 (图2)。这为设计出水环境中具有优异荧光性能的PS开辟了新的道路。意味着具有AIE特性的PS分子不会因发生聚集导致荧光猝灭而降低PDT效率。

图2. 传统光敏剂 (如卟啉,porphyrin) 聚集导致ACQ与AIE型荧光分子 (如四苯乙烯,TPE) 的示意图[1]。

03 AIE型光敏剂的分子设计思想和基本类型

接下来的关键问题是如何在光激发下高效率地产生ROS。作者对AIE材料体系的长期研究已经提供了合适的策略,通常采用在具有AIE性能的分子骨架上、在合适的位点上修饰电子给体 (D) 和电子受体 (A) 基团,使分子在激发态下具有大的系间窜越的横截面积,同时具备长三重态寿命,从而提高ROS产率。

ROS主要有两种类型,一种是处于三重激发态的AIE分子与三线态氧发生能量转移形成单线态活性氧,另一种是处于三重激发态的AIE分子通过电子转移产生超氧阴离子 (O2•−)、羟基自由基 (•OH)、过氧化物 (O22−) 和其它自由基ROS (图3)。基于电子转移的光敏剂通常被称为I型光敏剂,而基于能量转移的光敏剂被称为II型光敏剂。由于能量转移过程比电子转移过程快,因此,II型光敏剂的设计制备相对容易,而高效率I型光敏剂的制备还存在挑战。除了单纯的I型和II型AIE光敏剂,还存在一些AIE光敏剂,它们既可以与氧气反应既形成O2•−、•OH、O22−,又可形成1O2。

图3. Jablonski能级图说明荧光分子产生ROS的光物理和光化学过程:处于单线激发态 (S1) 的荧光分子会经历系间窜跃 (ISC) 到三重激发态 (T1),然后通过电子转移和能量转移两种途径产生ROS[2-4]。

04 AIE型光敏剂的总结和典型的研究案例的介绍

该综述对2020年以前文献报道的用于PDT研究的AIE型光敏剂进行了分类总结,列出了分子结构和所属的光敏剂类型,非常方便从事相关研究方向的读者根据自己的需要进行索引和重新梳理。在此基础上,文章选取几个重要的研究案例进行了剖析和解读,引导读者对相关工作进行初步了解和产生第一印象。该综述指出:用于PDT的大多数AIE型光敏剂是II型光敏剂。事实上,尽管理论上II型光敏剂的效率高,但在实际应用中尚不能打破II型光敏剂高O2依赖性与实体瘤周围血液缺氧性质之间存在矛盾的限制。与II型光敏剂相比,耐缺氧性更强的I型光敏剂是一个好的选择,因此I型光敏剂客观上更具有实用性,这也给AIE型光敏剂的分子设计制备带来了机遇。

参考文献

1. Mei, J.; Leung, N.L.C.; Kwok, R.T.K.; Lam, J.W.Y.; Tang, B.Z. Aggregation-Induced Emission: Together We Shine, United We Soar! Chem. Rev. 2015, 115, 11718–11940.

2. D?browski, J.M. Reactive Oxygen Species in Photodynamic Therapy: Mechanisms of Their Generation and Potentiation. Comput. Chem. 2017, 70, 343–394.

3. Zhou, Z.; Song, J.; Nie, L.; Chen, X. Reactive oxygen species generating systems meeting challenges of photodynamic cancer therapy. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 6597–6626.

4. Zhao, Z.; Zhang, H.; Lam, J.W.Y.; Tang, B.Z. Aggregation-Induced Emission: New Vistas at the Aggregate Level. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9888–9907.

Molecules 期刊介绍

主编:Dr. Farid Chemat, Université d´Avignon et des Pays du Vaucluse, France

期刊涵盖有机化学、无机化学、药物化学、材料化学、分析化学、应用化学、食品化学、物理化学、生物化学、理论化学、光电化学、交叉化学、绿色化学等所有化学领域。

2020 Impact Factor:4.412 (Q2)

2020 CiteScore:4.7

Time to First Decision:14.6 Days

Time to Publication:34 Days

 
 
 
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