分子科学强调宏观物质的性质和性能很大程度上取决于其构成分子的分子结构。然而，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，在聚集诱导发射（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。近日，香港中文大学（深圳）唐本忠教授，赵征教授团队与香港中文大学附属第二医院王绍娟院长团队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（图1）。该策略利用GGT实现AIE-PS于肿瘤部位靶向性聚集。并通过PS聚集增强的光动力活性实现了中了的靶向光动力治疗。该工作以“Enzymatically Catalyzed Molecular Aggregation”为题发表在《Nat. Common.》上（Nat. Common., 2024, 15, 9999.）。图 1. GGT介导的TBmA-Glu聚集增强肿瘤光动力治疗机制。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。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，其抑制常数（Ki值）可达为0.17 μM，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2. AIE光敏剂GGT依赖性PDT特性的表征。a. GGT对激活AIE-PS的激活机制。b. TBmA-Glu与GGT的分子对接结果（PDB：4GG2）。c. GGT催化后TBmA-Glu的荧光强度变化情况。d. GGT催化TBmA-Glu反应产物的LC-MS结果。e.不同浓度TBmA-Glu存在时GGT活性的影响。接下来作者进一步对TBmA-Glu的抗肿瘤机制进行可研究。研究结果表明，TBmA-Glu可通过一型光动力过程导致HepG2细胞内脂质过氧化物和羟基自由基的含量显著上升。同时 TBmA-Glu也可诱导细胞GGT的损伤，导致GGT功能障碍，GSH循环受阻，增强肿瘤细胞对光动力治疗的敏感性。同时研究发现，TBmA-Glu加光照处理后可导致细胞GPX4水平显著下降。透射电子显微镜（TEM）发现了TBmA-Glu光照处理的细胞呈现明显的铁死亡形态，包括收缩的线粒体和增加的双层密度。这些发现表明，TBmA-Glu通过光动力活性抑制GGT活性，导致氧化应激、脂质过氧化积累和GPX4水平下降，最终在HepG2细胞中诱导铁死亡。图3. TBmA-Glu抗癌机制的研究。a. HepG2细胞PDT处理组细胞内ROS的产生情况。b. 不同ROS清除剂的清除率对TBmA-Glu PDT诱导的ROS的影响。c. TBmA-Glu（2μM）对细胞GSSG/GSH比值的影响。d. TBmA-Glu PDT组和非PDT组HepG2细胞中GGT和GPX4的表达水平。e. 免疫荧光实验检测PDT组HepG2细胞在TBmA-Glu（2μM）或1%DMSO（Ctrl）中GGT1的表达水平。f TBmA-Glu（2μΜ，24小时）处理的HepG2细胞的细胞透射电镜结果。最后作者在皮下瘤模型验证了TBmA-Glu的良好肿瘤靶向性和光动力治疗效果。虽然，在细胞水平和皮下瘤小鼠模型中TBmA-Glu均展示出了优秀的抗肿瘤活性，但考虑到原位肝癌模型的皮下瘤模型的明显差异性。作者也进一步研究了TBmA-Glu在原位肝癌小鼠，模型中的治疗效果。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4. TBmA-Glu的抗肿瘤效果验证。a.荧光图像表示治疗过程开始和结束时TBmA-Glu治疗前后小鼠荧光成像结果。b. 荷瘤小鼠的肿瘤生长曲线。c. TBmA-Glu治疗组小鼠肿瘤的H&E（上图）和GPX4免疫组织化学（下图）结果。d. 小鼠原位肝癌模型构建过程的示意图。e. TBmA-Glu（5 mg/kg）治疗过程中，原位肝癌小鼠在治疗开始、中期和结束时的荧光图像。小结：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。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
