水溶性荧光金属笼状化合物的构筑及其在癌症诊疗中的应用

Water-soluble fluorescent metal-organic cages show great potential in biomedical applications due to their specific cavities, abundant fluorescence and possible anti-cancer activities. However, the efficient preparation of these compounds is still a challenge in supramolecular chemistry. In order to solve this problem, this project aims to take the advantages of the fluorescence of tetraphenylethene or porphyrin derivatives, the anti-cancer activities of Pt(NH2CH2CH2NH2)(NO3)2 and the enhanced water-solubilities and cell membrane penetrating abilities of dipyridyl compounds with (poly)ethylene glycol groups to prepare water-soluble fluorescent meta-organic cages via metal-coordination-driven self-assembly. Further attachment of targeted groups offers these compounds with targeted cell imaging and cancer therapy properties, and their anti-cancer activities can be monitored by their inherent fluorescence imaging. It is expected that several cages with good imaging and anti-cancer activities can be obtained through the in-depth study of these compounds, which will benefit the design and tunable structures and functions of fluorescent metal-organic cages. This work will reveal the structure-function relationship of the cages, enlarge the applications of metal-organic complexes in cancer theranostics and prompt the development of personized medicine.

水溶性荧光金属笼状化合物由于其独特的空腔、丰富的荧光性能和潜在的抗癌功能等特点，在生物医学领域具有广泛的应用前景，然而其高效合成一直都是一个尚未解决的问题。本项目旨在利用具有荧光性质的四苯基乙烯或卟啉衍生物作为细胞成像的参照剂，90度的Pt(NH2CH2CH2NH2)(NO3)2作为抗癌剂，含有（聚）乙二醇的双吡啶分子作为增强水溶性以及细胞膜穿透性的基团，通过这三种配体的金属配位自组装来构筑一系列兼具成像和抗癌功能的水溶性荧光金属笼状化合物。进一步地将靶向基团连接在该化合物上可以实现靶向的细胞成像与治疗，而且该类化合物对癌细胞的杀伤作用可以通过其自身的荧光成像功能来监测。通过该项目的研究，获得几个具有良好癌症诊疗功能的笼状化合物，预期将为荧光金属配位笼状化合物的设计、结构和功能调控提供新的思路，阐明其结构和组分与其生物功能之间的联系，为其在癌症治疗方面的应用奠定基础，促进个体化医药的发展。

金属笼状化合物是金属与配体之间通过配位键连接的三维笼状结构，由于其独特的空腔、丰富的荧光性能和潜在的抗癌功能等特点，在传感与识别、催化、控制释放等生物医学领域具有广泛的应用前景。如何高效的合成金属笼状化合物，并拓展其功能化应用，一直是超分子化学研究的前沿。然而目前制备的金属笼状化合物由于存在着金属的重原子效应以及金属与配体之间的电荷转移，会使得生成的笼状结构的荧光淬灭，极大的限制了其光功能应用。本研究利用铂基配体连接不同的吡啶和羧酸体系，通过原子半径比较大的铂原子削弱金属与配体之间的电荷转移，构筑了一系列基于四苯基乙烯、苝酰亚胺以及卟啉的多组分的荧光金属笼。利用配体的选择与功能化对其尺寸进行精准调节，详细探究了配位作用对分子笼光物理性质的影响，系统研究了分子笼内不同组分及其包裹的分子之间的能量传递过程，揭示了基于金属配位键的定向作用来调控荧光共振能量传递的机理，并将该类材料应用于癌症诊疗、化学传感、信息加密、有机光电材料以及可见光催化等领域。