近日,香港科技大学的唐本忠院士和中山大学附属第六医院的Lekun Fang(通讯作者)等人设计并合成了一系列具有AIE性质的吡啶盐功能化的TPE衍生物,分别是TPE-OM、TPE-H、TPE-NO2(图1)。通过调整推-拉(push-pull)电子效应,使得在固态时它们的发射范围从绿光变为黄光再变为橙光。通过理论计算发现,具有给电子基团的TPE-OM在这些AIEgens中具有最小的能隙,与它的吸收和发射红移非常吻合。首先,作者在结肠癌细胞中评估了TPE-OM、TPE-H和TPE-NO2的细胞毒性,在一定浓度范围内,仅发现TPE-OM可以有效的杀死癌细胞。同时,细胞成像表明TPE-OM在体外能以高特异性积累在线粒体中。这些细胞层面的实验结果均表明TPE-OM具有作为结肠癌治疗试剂的潜力。因此,鉴于前期的优秀成果,作者进行了小鼠实验,并且成功的以高信噪比对裸鼠进行了体内肿瘤成像。此外,这些有趣的结果促使作者研究它们在基因水平上的潜在活性,并发现TPE-OM可以抑制固化过程中促进细胞周期的基因。结肠癌是常见的发生于结肠部位的消化道恶性肿瘤,好发于直肠与乙状结肠交界处,以40~50岁年龄组发病率最高。结肠癌是女性中死亡率高的第二大常见癌症,而男性是第三大常见癌症。目前,癌症的早期诊断主要是通过磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)、正电子发射断层扫描(PET)进行。在癌症治疗方面,虽然化学疗法等方法取得显着进展,但是许多患者仍然存在癌症转移和化学耐药性,因而需要开发更有效的治疗诊断系统。在成像技术中,荧光成像被广泛的关注。然而,传统的荧光材料存在聚集猝灭(ACQ)效应、光稳定性较差、信噪比低等问题,极大地抑制了其在生物成像和治疗中的应用。研究发现,四苯基乙烯(TPE)及其衍生物在聚集状态下发出强烈的荧光,即聚集诱导发光(AIE)效应。其中,吡啶作为一种典型的吸电子基团,具有低的带隙和优异的光/热稳定性能,而TPE经常被用来建立新的AIEgens。因此,将两者组合到一个分子中可能会产生一些具有诊断性质的新型AIEgens。首先,作者进行了光物理性探究。正如吸收光谱所示,TPE-OM、TPE-H和TPE-NO2在四氢呋喃(THF)溶液中分别在393、355和340 nm处显示主要吸收峰,吸收最大值的红移按TPE-OM>TPE-H>TPE-NO2的顺序进行。其中,光致发光(PL)光谱也显示了从520-590 nm的红移逐渐变化,其聚集态为TPE-OM>TPE-H>TPE-NO2。在350 nm激发后,荧光发射最大值集中在590、550、520 nm,在固态时的量子产率分别为86.2%、31.2%和12.8%。加入不良溶剂(己烷)后,当己烷含量低于50%时,TPE-OM仍保持非发射性。但将己烷比例提高到80%时,由于在聚集状态下分子旋转受到限制以及形成有序分子堆积,观察到了强烈的橙色荧光。然而,当己烷含量提高到95%时,由于形成非晶态聚集体,荧光强度明显降低。图1、TPE-OM、TPE-H和TPE-NO2的发光性能接着,作者利用密度泛函理论(DFT)进行深入研究,以优化TPE-OM、TPE-H和TPE-NO2的电子结构和前沿分子轨道能。TPE-OM在三种AIEgens中表现出最小的能隙(1.84 eV),与其吸收和发射红移非常吻合。TPE-H的最大能隙为2.89 eV,而TPE-NO2的最大能隙为3.15 eV。在TPE-NO2中,硝基的强吸电子特性能够部分阻止电子流向吡啶盐基团,并降低了分子内电子跃迁的可能性。其中,最高占据分子轨道(HOMO)主要位于正戊氧基和与氧原子相连的苯环上,而最低未占据分子轨道(LUMO)主要位于受体单元上。因此,HOMO和LUMO的空间分离对于分子内电荷跃迁是有利的。图3、TPE-OM、TPE-H和TPE-NO2的分子轨道然后,作者进行细胞实验以探究TPE-OM、TPE-H和TPE-NO2在人结肠直肠癌细胞系(HCT116)中的潜在生物应用。在与细胞共孵育72 h后,发现TPE-OM处理组的结肠直肠癌(CRC)细胞的细胞存活率随浓度增加而降低,而TPE-H或TPE-NO2组不存上述现象,说明TPE-OM可以抑制CRC细胞的增殖。重要的是,10 μM TPE-OM就可抑制50%的HCT116细胞生长(IC50=10 μM)。同时,作者在465 nm激发下进行共聚焦显微镜观察,发现从绿色通道检测到结肠癌细胞内的黄绿色荧光,而对照组没有,表明TPE-OM对活细胞具有良好的渗透性。更重要的是,在TPE-OM和线粒体跟踪器中可以看到细胞成像的高度重叠,表明TPE-OM对线粒体具有高度特异性。此外,还研究了TPE-OM处理是否会破坏细胞周期,发现在与TPE-OM孵育的CRC细胞中发生了G1期积累。蛋白质印迹分析显示,TPE-OM处理导致细胞周期蛋白D1蛋白下调,同时显着增强细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂P21和P27的表达(P21、P27和细胞周期蛋白D1是细胞周期G1期的重要调节剂)。最后,作者将TPE-OM静脉注射到带有HCT116荷瘤的裸鼠中来测试TPE-OM在体内的成像能力。在注射TPE-OM(5mg/kg)1 h后,肿瘤部位的荧光强度显着增加,在注射后48 h达到饱和,并且TPE-OM可以特异性富集在肿瘤部位。通过组织学分析,在TPE-OM组中小鼠的主要器官(心、肝、脾、肺和肾)未发生明显异常,表明TPE-OM在测试条件下具有高生物相容性。因此,作者研究了TPE-OM(5mg/kg)的体内抗肿瘤效果。与对照组相比,TPE-OM治疗组的肿瘤体积和重量显着降低,说明TPE-OM具有抑制结肠癌肿瘤发生的能力。Tuning Push-Pull Electronic Effects of AIEgensto Boost Theranostic Efficacy for Colon Cancer(J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c02434)https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02434名称:材料科学前沿
ID:MaterialFrontiers
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