近日，理工学院唐本忠院士团队在聚集诱导发光光敏剂研究方面取得重要成果，相关成果以“Enzymatically catalyzed molecular aggregation”为题发表在国际顶级期刊Nature Communications上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54291-1

期刊介绍

Nature Communications是Nature旗下的综合性期刊，致力于发表生物、健康、物理、化学和地球科学等各领域的高质量研究。该期刊最新影响因子为14.7，JCR分区Q1。

研究背景

分子科学是现代科学研究的基石，它通过还原论的方法强调物质的性质和性能主要由其分子结构决定。然而，该观点在复杂的系统中具有局限性。现有研究发现，分子的聚集可以产生超出单个分子性质的新功能。例如，在聚集诱导发光（AIE）现象中，分子在聚集状态下由于分子运动的抑制而发光增强，而在单分子状态下则表现较弱的发光。考虑到众多材料在日常应用多以宏观的聚集态形式，因此，了解聚集体的形成过程，实现聚集过程的精确调控是材料科学研究的重要内容。

生物体拥有其独特的生物分子聚集调控机制，如蛋白的聚集体形成、染色质的可及性调控。但尚无可用于外源性分子于生物体内的聚集调控方法。在生物体内实现精确和可控的分子聚集，利用分子聚集体的特有性质则可进一步实现疾病诊断和治疗。酶作为生物体中不可或缺的组成部分，能够催化多种生化反应，其异常活性或表达与癌症等疾病的发生与进展密切相关。建立具有肿瘤过表达酶靶向性的分子，并利用酶的催化反应特性可调节分子的聚集，从而实现精确的分子聚集。而分子聚集后的新性质（如荧光和光动力活性）则可进一步实现对癌症诊断和治疗目的。尽管酶促催化在“开-关”型荧光探针方面已有广泛应用，但利用酶促反应调节分子聚集状态以实现更复杂和多功能的生物医学应用的研究仍然较少。

研究内容

在该工作中，汪文锦博士等人提出了一种利用肿瘤相关的γ-谷氨酰胺转移酶（GGT）催化活性实现聚集诱导发光光敏剂（AIE-PS）细胞内聚集态调控的策略。该策略利用GGT实现AIE-PS于肿瘤部位靶向性聚集，激活了AIE-PS的光动力活性。研究发现，该策略不仅可以导致肿瘤相关的GGT的氧化性损伤，降低细胞内还原性谷胱甘肽含量，增加肿瘤细胞对光动力治疗的敏感性。同时，光敏剂分子也可通过一型光动力诱导肿瘤细胞脂质过氧化物蓄积，谷胱甘肽过氧化物酶4含量下调，从而激活肿瘤的铁死亡。研究发现，该策略不仅在细胞水平可实现肿瘤的选择性杀伤，在活体水平也可以实现肿瘤的靶向性抑制。该策略设计的GGT激活性AIE-PS表现出卓越的肿瘤靶向能力和治疗效率，同时该策略也证明酶活性可作为生物体内小分子聚集过程调控的有效目标，从而推进各种疾病的创新治疗策略。

分子设计策略

图1  GGT介导的TBmA-Glu聚集增强光动力治疗机制

光敏剂的聚集增强发光与光动力性质

在合成得到AIE-PS分子后，作者先对激活型AIE-PS的聚集发光和光动力性质进行了系统性研究（图2）。结果表明TBmA在聚集态具有优异的活性氧（ROS）生成能力，甚至超过了商用光敏剂Rose Bengal。进一步研究表明其光动力活性与聚集状态成正相关性。TBmA在水含量60%的DMF中时开始聚集，同时可导致发光的增强和ROS生成增加。随着水含量的增加，发光强度在含水量80%时达到峰值后下降，而ROS生成则持续增加。进一步通过对AIE曲线、聚集体尺寸和光动力活性对比研究发现，聚集体的大小在水含量为80%时达到最大，之后开始减小，这与发射强度的变化趋势相似。纳米颗粒尺寸的减小导致表面积增加，促进了光敏剂分子与周围分子之间的相互作用，从而促进了高效的光动力过程。考虑到发光和ROS生成之间对激发光吸收能量的竞争，ROS生成的增加会导致发射强度降低。

TBmA聚集物表现出优异的长期稳定性和光动力稳定性，即使在胎牛血清中分散72小时或光照30分钟后也没有显著的聚集或降解。TBmA不仅具有聚集诱导发光（AIE）特性，还能在聚集状态下增强ROS生成，这些特性使其成为治疗应用的合适材料。如果能够在癌细胞中实现TBmA的靶向聚集，其聚集增强的发射和光动力活性不仅可以促进肿瘤示踪，还可以实现靶向治疗。

图2 晶态下的晶体结构和光物理性质

GGT激活型AIE-PS的抗肿瘤机制

在作者前期设想中，休眠态的AIE-PS（TBmA-Glu）在GGT的催化下可以转化为激活态AIE-PS（TBmA），进而导致TBmA的聚集（图3a）和光动力激活。TBmA的聚集体已被证明在光照下具有强大的ROS生成能力。因此，作者随后探索了GGT在对TBmA-Glu的激活效果（图3）。对接结果显示，TBmA-Glu能够与GGT活性口袋中的氨基酸残基（ARG-327、ASP-422、PHE-424和ASN-431）相互作用（图3b），其抑制常数（Ki值）可达为0.17μM，显著低于GGT底物谷氨酰胺的Ki值，表明TBmA-Glu与GGT之间有较强的结合力。随后，在TBmA-Glu和GGT共孵育实验发现，其可导致发光强度的显著增加，表明TBmA-Glu的-Glu部分成功被切割。为了验证发光增强是否由TBmA引起，液相色谱质谱（LC-MS）分享进一步验证GGT催化TBmA-Glu分解生成了TBmA。进一步研究表明，TBmA-Glu也可导致GGT活性的抑制，光动力过程还可能导致GGT 的氧化损伤。综合上述结过，作者可以得出休眠态AIE-PS（TBmA-Glu）在GGT存在下可转化为激活态（TBmA）。

图3 AIE光敏剂ggt依赖性PDT特性的表征

GGT在多种癌细胞系中的上调表达使其成为癌症检测的有吸引力的靶标。作者对TBmA-Glu的GGT靶向能力和可激活特性在抗肿瘤应用中的潜力进行了研究（图4）。通过GGT表达上调的荧光素酶表达的肝癌细胞系HepG2和正常肝细胞系LO2的共孵育实验，作者发现HepG2细胞的荧光素发射可与激活态TBmA的荧光共定位，而在LO2细胞中则未见TBmA的荧光信号。作为GGT活性依赖的AIE-PS，TBmA-Glu对不同GGT表达水平的细胞的细胞毒性也与其GGT表达水平呈正相关性。它对HepG2细胞系显示出最强的光细胞毒性，暗条件下和光照条件下的IC50值分别为20.12μM和2.15μM。而对正常细胞系LO2显示出最小的毒性。此外，TBmA-Glu对包括OVCAR-5和小鼠4T1癌细胞在内的GGT过表达癌细胞也显示出广谱的抗癌潜力，光动力治疗的IC50值分别为5.13±0.69μM和5.28±1.56μM。这些结果表明，TBmA-Glu的潜在有效性可能扩展到其他GGT水平升高的癌症。

图4 AIE光敏剂在细胞中ggt依赖性PDT特性的表征

GGT激活型AIE-PSs体内抗肿瘤活性

图5 TBmA-Glu抗癌机制的研究

受到TBmA-Glu在细胞水平对肿瘤的优异选择性和抗肿瘤活性的鼓舞，作者进一步研究了其在小鼠皮下HepG2肿瘤模型中的抗肿瘤活性（吐）。结果再次验证了TBmA-Glu优异的肿瘤选择性和抗肿瘤活性，同时在动物肿瘤模型中，作者也发现TBmA-Glu可诱导肿瘤细胞铁死亡。

图6 TBmA-Glu在小鼠皮下瘤模型中的治疗效果

虽然TBmA-Glu在细胞水平和皮下瘤小鼠模型中均展示出了优秀的抗肿瘤活性，但考虑到原位肝癌模型与皮下瘤模型的明显差异性。作者进一步研究了TBmA-Glu在原位肝癌小鼠模型中的治疗效果（图7）。结果表明，TBmA-Glu可选择性的在肝脏肿瘤部位激活，并结合微创的光动力治疗后可对肿瘤生长产生显著的抑制能力。治疗14天后可显著减少肝脏肿瘤的面积。

图7 TBmA-Glu在小鼠肝癌原位肿瘤模型中的治疗效果

在本研究中，作者成功开发了一种高效的GGT激活型聚集诱导发光光敏剂TBmA-Glu。与传统AIE-PS不同，TBmA-Glu在水中以分子形式存在。而当TBmA-Glu中的水溶性Glu部分被GGT切割后，会触发不溶性TBmA分子的聚集。通过利用癌细胞过表达的GGT对“Glu”基团的识别特性以及GGT的“Glu”切割催化活性，作者实现了AIE-PS的肿瘤靶向聚集。TBmA的聚集可导致发光增强和光动力活性提升。TBmA-Glu介导的光动力治疗过程不仅造成了GGT的损伤，导致细胞内GSH耗竭，还通过诱导脂质过氧化蓄积和GPX4下调激活了肿瘤细胞铁死亡。TBmA-Glu在HepG2异种移植瘤模型和原位肝癌模型均展示出了卓越的靶向能力和PDT效果。总体而言，该研究展示了TBmA-Glu肿瘤诊断治疗中的临床应用潜力。同时该研究也表明酶催化活性过程可作为实现细胞内小分子聚集过程调控的有效策略。

文章致谢

特别感谢香港中文大学（深圳）Materials Characterization and Preparation Center （MCPC）提供的大型科研仪器及测试，感谢李璇工程师与刘桂妙工程师在高分辨质谱（HRMS）和高效液相色谱（HPLC-MS）测试上的帮助。感谢国家自然科学基金、博士后基金、深圳市医学研究专项基金及重点实验室的基金资助。

作者简介

香港中文大学（深圳）理工学院唐本忠教授，赵征助理教授和香港中文大学附属第二医院王绍娟院长为本文通讯作者。

唐本忠教授1982年获华南理工大学学士学位，1985年、1988年先后获日本京都大学硕士、博士学位。曾在多伦多大学从事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。1994–2021年在香港科技大学工作。2009年、2017年、2020年先后当选中国科学院院士、亚太材料科学院院士、发展中国家科学院院士。2021年加入香港中文大学（深圳）担任理工学院院长、校长学勤讲座教授。主要从事高分子化学和先进功能材料研究。在聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）这一化学和材料前沿领域取得了原创性成果，是AIE概念的提出者和AIE研究的引领者。已发表学术论文2,000多篇，总引用超208,000次，h因子为201。在学术会议上作了500多场邀请报告，拥有100多项授权专利。现任德国Wiley出版社发行的Aggregate《聚集体》杂志主编以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑等。2014年至今连续当选全球材料和化学双领域“高被引科学家”。2007年获Croucher基金会高级研究员奖，2012年获美国化学会高分子材料科学与工程分会MACRO讲座奖，2014年获伊朗国家科技部颁发的Khwarizmi国际奖，2015年获广州市荣誉市民称号，2017年获国家自然科学一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖，2021年获Nano Today国际科学奖，2023年获生物材料全球影响力奖，2024中国化学会-中国石油化工股份有限公司化学贡献奖。

赵征，博士生导师，香港中文大学（深圳）校长青年学者，香港中文大学（深圳）材料科学与工程研究生项目主任。中国人体健康科技促进会临床微生物与感染精准专业委员会常务委员，中国抗癌协会医工整合专业委员会委员、中国感光学会光学传感与诊疗专委会委员、深圳市分子聚集体功能材料重点实验室副主任，香港中文大学（深圳）第二附属医院AIE临床转化中心执行副主任，获首届中国化学会朱道本有机固体青年创新奖、Materials Chemistry Frontiers新锐科学家、Journal of Materials Chemistry B新锐科学家、Chemical Communications新锐科学家等荣誉称号，2021-2023连续三年入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。赵征教授博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所，在香港科技大学完成博士后研究后加入东南大学任教授并开展独立研究工作， 2021年加入香港中文大学（深圳）理工学院开展研究工作。当前的研究兴趣包括新型聚集体光功能材料、聚集体光敏剂及其应用、近红外二区发光材料及其应用。已在Nat. Photonics、Natl. Sci. Rev、Nat. Commun、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、ACS Central Science.、Adv. Mater等国际顶级期刊发表论文100余篇，包括13篇ESI高被引论文，论文总计被引用10000余次，单篇最高引用1000次，H-index 56。获授权中国专利6项、美国专利1项。主持科技部重点研发项目课题、国自然面上项目、深圳市面上项目等6项。兼任Discover Molecules 期刊（Springer Nature）分栏主编，Aggregate期刊顾问编委，National Science Review期刊青年编委，Smart Molecules期刊青年编委，Chinese Chemical Letters期刊青年编委，《集成技术》期刊青年编委等。

王绍娟，香港中文大学（深圳）附属第二医院/深圳市龙岗区人民医院党委书记、主任医师、教授，从事妇产科临床与科研工作30余年。曾任第十一、十二届广东省医学会妇产科学分会常委，第四至第六届深圳市医学会妇产科专业委员会副主任委员，第二至第四届深圳市女医师协会副会长，第一至第五届龙岗区医学会妇产科学分会主任委员。作为重要参加人员获2017年“全国妇幼健康科学技术二等奖”、2018年“华夏医学科技三等奖”及“中华医学科技二等奖”、2019年获全国五一劳动奖章。

本文第一作者为香港中文大学（深圳）博士后汪文锦博士

汪文锦博士，香港中文大学（深圳）附属第二医院在站博士后，合作导师唐本忠院士、赵征教授和Parvej Alam研究员，博士毕业于中山大学化学生物学专业。主要研究方向是新型抗肿瘤材料的开发与抗肿瘤机理、聚集诱导发光（AIE）材料的生物应用及临床应用转化。以第一/共一作者在 Nat. Photonics、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Natl. Sci. Rev.、 Adv. Sci.、Aggregate、Biomaterials、Small.等期刊发表论文15 篇。主持国家自然科学青年基金、中国博士后面上项目、深圳市医学研究专项（青年项目）各1项，作为主要成员参加国自然重点项目、国自然面上项目、云南省科技厅重点合作项目等项目若干。入选深圳市优秀博士后。

供稿 | 唐本忠教授团队