《Bioorganic Chemistry》：Viscosity-responsive AIEgen with mitochondrial/endoplasmic reticulum dual targeting for fatty liver fluorescence imaging and tumor photodynamic therapy
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刘朝林 | 李远航 | 陈雪 | 杨莉 | 谢旭东 | 解正坚
东南大学化学与化工学院，南京 211189，中华人民共和国
摘要
通过结合量子化学计算和分子动力学模拟，我们合理设计了一种近红外（NIR）粘度响应型聚集诱导发光剂（AIEgen）TTPL3，该发光剂通过π共轭桥接
刘朝林 | 李远航 | 陈雪 | 杨莉 | 谢旭东 | 解正坚
东南大学化学与化工学院，南京 211189，中华人民共和国
摘要
通过结合量子化学计算和分子动力学模拟，我们合理设计了一种近红外（NIR）粘度响应型聚集诱导发光剂（AIEgen）TTPL3，该发光剂通过π共轭桥接调节和受体末端羟基化实现对线粒体和内质网的双重靶向。在白光照射下，TTPL3表现出优异的活性氧（ROS）生成效率，并对4?T1乳腺癌细胞具有显著的光动力治疗（PDT）活性。当粘度从0.63?cP升高到1281?cP时，其荧光强度增加了15.03倍，显示出明显的粘度响应性。共定位实验确认TTPL3在MDA-MB-231细胞中对这两种细胞器的精确靶向，皮尔逊相关系数分别为0.94和0.96。TTPL3可用于脂肪肝荧光成像，并通过线粒体凋亡途径诱导肿瘤细胞凋亡。体内研究表明，TTPL3实现了高效的肿瘤光疗，抑制率为50.38%，表明它是一个有前景的基于AIE的平台，可用于脂肪肝诊断和肿瘤光疗的综合应用。
引言
线粒体是控制细胞能量代谢的中心细胞器，依赖于适当的基质粘度来维持呼吸链酶系统的催化活性并促进三磷酸腺苷（ATP）的生物合成[1]。然而，线粒体粘度的异常会导致形态异常、呼吸链功能受损、ATP生成不足，从而破坏整个细胞微环境的稳态[2]。除了线粒体之外，内质网是生物微环境中的另一个不可或缺的细胞器，它是细胞内蛋白质合成、折叠和处理、脂质生物合成以及钙稳态调节的主要场所[3][4]。内质网腔室和膜结构的动态变化直接决定了其生理功能[5][6]。异常粘度的升高会引发细胞应激反应并扰乱下游信号通路，从而导致炎症、肿瘤发生和神经系统疾病的发病机制[7]。因此，开发能够准确监测粘度波动的荧光探针对于调节病理性生物微环境和干预疾病进展具有重要的临床意义。
光疗是一系列光介导的诊断和治疗方法，由于其高响应性、精确的时空可控性和非侵入性，在生物医学研究中受到了广泛关注[8][9][10]。值得注意的是，作为一种微创光疗方法，PDT作为一种有前景的癌症治疗策略逐渐受到重视，因为它可以通过适当光敏剂的光激活产生细胞毒性活性氧（ROS）来消除癌细胞[11][12][13]。AIE代表了一种创新的荧光传感范式，与传统荧光团不同，传统荧光团在聚集状态下通常会因聚集而发生猝灭（ACQ）[14]。AIE活性发光剂在分子分散状态下发光较弱，但当由于微环境粘度升高导致分子运动受限并随后发生聚集时，其荧光强度会显著增强[15][16][17]。这种独特的行为使AIEgen成为实时监测生物微环境中动态粘度变化的理想候选者[18][19][20]。
据我们所知，在开发同时具有线粒体和内质网（ER）双重靶向能力的近红外（NIR）探针方面仍存在重大挑战，以实现多种疾病模型的同时可视化。为满足这一未满足的需求，我们合理设计并合成了三种三苯胺衍生物（TTPL1、TTPL2和TTPL3），这些探针适用于脂肪肝成像和癌症PDT，它们兼具线粒体/ER双重靶向特性和粘度响应性荧光特征。与目前报道的双靶向AIE光敏剂相比，这些新开发的光敏剂具有更大的斯托克斯位移（Stokes shift），有效减少了背景干扰。同时，它们的高共定位系数证明了出色的亚细胞器靶向能力（表S1）。这些三芳胺衍生物具有供体-π-受体（D-π-A）分子结构，包括一个噻吩取代的三芳胺基团作为电子供体、一个碳-碳双键作为π共轭桥接以及一个喹啉鎓阳离子作为电子受体单元。静电相互作用驱动这些探针富集在线粒体基质中，而羟乙基团的氢键作用——与芳香环的疏水相互作用协同作用——介导了对内质网的靶向，从而实现精确的双细胞器定位。在三种衍生物中，TTPL3相比TTPL1和TTPL2表现出更优良的光化学性质和ROS生成效率。TTPL3在825?nm处发出最大光强，由于其狭窄的光学带隙（0.9318?eV），在DMSO中的斯托克斯位移为285?nm。此外，分子结构中的多个自由旋转苯环和单键促进了非辐射弛豫，导致在低粘度介质中的荧光淬灭；而在高粘度环境中的旋转限制抑制了非辐射衰减，从而显著增强了光致发光（PL）强度。最值得注意的是，TTPL3的刚性D-π-A骨架结合精妙的侧链调节，有效减少了通过非辐射途径的能量损失，使其成为高效的光敏剂，适用于PDT应用。正如预期的那样，TTPL3在体外和体内都表现出显著的粘度特异性以及精确的线粒体和ER靶向能力。全面的实验验证证实，TTPL3的线粒体靶向、粘度响应成像方式能够特异性检测脂肪肝组织。重要的是，TTPL3的粘度依赖性和线粒体趋向性转化为给药后携带肿瘤小鼠中精确的PDT效果，为开发具有双重线粒体/ER靶向的粘度敏感NIR探针提供了可行的策略，具有广泛的应用潜力，可用于脂肪肝的准确诊断和肿瘤治疗效果的评估。
章节片段
TTPL1、TTPL2和TTPL3的光物理性质
如图1?A和S2所示，实验数据证实AIEgen TTPL1、TTPL2和TTPL3（在二甲基亚砜DMSO中浓度为15?μM）在其UV–Vis吸收光谱中的最大吸收波长分别为517?nm、532?nm和540?nm。这些可见光范围内的吸收特性有利于生物成像应用，同时有效减轻了紫外线（UV）照射引起的光损伤。
结论
总之，本研究报道了TTPL3的开发，这是一种具有粘度响应性的AIEgen，通过合理的D-π-A分子设计实现了对线粒体和内质网的双重靶向。量子化学计算表明，TTPL3在合成的衍生物中具有最窄的光学带隙，这显著提高了ROS生成效率。对ESP表面的分析证实，TTPL3中的吡啶鎓基团表现出最强的正
材料、设备和合成
本研究中使用的所有材料和设备均在支持信息中有所描述。目标化合物的合成路线见方案S1，相关化合物的表征信息可从图S20至S24中获得。
细胞毒性分析
将对数生长阶段的4?T1、MDA-MB-231、HepG2和MCF-10?A细胞均匀接种到96孔板中并培养过夜。吸附后，向每个孔中加入不同浓度的AIEgen，随后进行进一步
CRediT作者贡献声明
刘朝林：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理。李远航：方法论，研究。陈雪：软件。杨莉：软件，方法论。谢旭东：资源，研究。解正坚：撰写——审阅与编辑，资金获取。
江苏省的科学技术成果转化专项基金（BA2019052）为本项工作提供了财务支持。
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
