We report a 2D layered metal–organic framework (MOF) with wide channels named NUS-1 and its activated analogue NUS-1a composed of Zn4O-like secondary building units and tetraphenylethene (TPE)-based ligand 4,4′-(2,2-diphenylethene-1,1-diyl)dibenzoic acid. Due to its special structure, NUS-1a exhibits unprecedented gas sorption behavior, glass-transition-like phase transition under cryogenic conditions, and responsive turn-on fluorescence to various volatile organic compounds. Our approach using angular ligand containing partially fixed TPE units paves a way toward highly porous MOFs with fluorescence turn-on response that will find wide applications in chemical sensing.

ConspectusTheranostic nanolights refer to luminescent nanoparticles possessing both imaging and therapeutic functions. Their shape, size, surface functions, and optical properties can be precisely manipulated through integrated efforts of chemistry, materials, and nanotechnology for customized applications. When localized photons are used to activate both imaging and therapeutic functions such as photodynamic or photothermal therapy, these theranostic nanolights increase treatment efficacy with minimized damage to surrounding healthy tissues, which represents a promising noninvasive nanomedicine as compared to conventional theranostic approaches.As one of the most promising theranostic nanolights, organic dots with aggregation-induced emission (AIE dots) are biocompatible nanoparticles with a dense core of AIE fluorogens (AIEgens) and protective shells, whose sizes are in the range of a few to tens of nanometers. Different from conventional fluorophores that suffer from aggregation-caused quenching (ACQ) due to π–π stacking interaction in the aggregate state, AIEgens emit strongly as nanoaggregates due to the restriction of intramolecular motions. Through precise molecular engineering, AIEgens could also be designed to show efficient photosensitizing or photothermal abilities in the aggregate state. Different from ACQ dyes, AIEgens allow high loading in nanoparticles without compromised performance, which makes them the ideal cores for theranostic nanolights to offer high brightness for imaging and strong photoactivities for theranostic applications.In this Account, we summarize the recent advance of AIE dots and highlight their great potential as theranostic nanolights in biomedical applications. Starting from the design of AIEgens, the fabrication of AIE dots and their bioimaging applications are discussed. The exceptional advantages of superbrightness, high resistance to photobleaching, lack of emission intermittency, and excellent biocompatibility have made them reliable cross platform contrast agents for different imaging techniques such as confocal microscopy, multiphoton fluorescence microscopy, super-resolution nanoscopy, and light-sheet ultramicroscopy, which have been successfully applied for cell tracking, vascular disease diagnosis, and image-guided surgery. The integration of therapeutic functions with customized AIEgens has further empowered AIE dots as an excellent theranostic platform for image-guided phototherapy. Of particular interest is AIE photosensitizer dots, which simultaneously show bright fluorescence and high photosensitization, yielding superior performance to commercial photosensitizer nanoparticles in image-guided therapy. Further development in multiphoton excited photodynamic therapy has offered precise treatment with up to 5 μm resolution at 200 μm depth, while chemiexcited photodynamic therapy has completely eliminated the limitation of penetration depth to realize power-free imaging and therapy. With this Account, we hope to stimulate more collaborative research interests from different fields of chemistry, materials, biology, and medicine to promote translational research of AIE dots as the theranostic nanolights.

Subcellular organelle-specific reagents for simultaneous tumor targeting, imaging, and treatment are of enormous interest in cancer therapy. Herein, we present a mitochondria-targeting probe (AIE-mito-TPP) by conjugating a triphenylphosphine (TPP) with a fluorogen which can undergo aggregation-induced emission (AIE). Owing to the more negative mitochondrial membrane potential of cancer cells than normal cells, the AIE-mito-TPP probe can selectively accumulate in cancer-cell mitochondria and light up its fluorescence. More importantly, the probe exhibits selective cytotoxicity for studied cancer cells over normal cells. The high potency of AIE-mito-TPP correlates with its strong ability to aggregate in mitochondria, which can efficiently decrease the mitochondria membrane potential and increase the level of intracellular reactive oxygen species (ROS) in cancer cells. The mitochondrial light-up probe provides a unique strategy for potential image-guided therapy of cancer cells.

Two-photon photodynamic therapy (PDT) is able to offer precise 3D manipulation of treatment volumes, providing a target level that is unattainable with current therapeutic techniques. The advancement of this technique is greatly hampered by the availability of photosensitizers with large two-photon absorption (TPA) cross section, high reactive-oxygen-species (ROS) generation efficiency, and bright two-photon fluorescence. Here, an effective photosensitizer with aggregation-induced emission (AIE) characteristics is synthesized, characterized, and encapsulated into an amphiphilic block copolymer to form organic dots for two-photon PDT applications. The AIE dots possess large TPA cross section, high ROS generation efficiency, and excellent photostability and biocompatibility, which overcomes the limitations of many conventional two-photon photosensitizers. Outstanding therapeutic performance of the AIE dots in two-photon PDT is demonstrated using in vitro cancer cell ablation and in vivo brain-blood-vessel closure as examples. This shows therapy precision up to 5 µm under two-photon excitation.

Ultrabright organic dots with aggregation-induced emission characteristics (AIE dots) are prepared and shown to exhibit a high quantum yield, a, large two-photon absorption cross-section, and low in vivo toxicity. Real-time two-photon intravital blood vascular imaging in various tissues substantiates that the AIE dots are effective probes for in vivo vasculature imaging in a deep and high-contrast manner. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Compared with traditional one‐photon fluorescence imaging, two‐photon fluorescence imaging techniques have shown advantages such as increased penetration depth, lower tissue autofluorescence, and reduced photo­damage, and therefore are particularly useful for imaging tissues and animals. In this work, the design and synthesis of two novel DPP ‐based compounds with large two‐photon absorption (2PA) cross‐sections ( σ ≥ 8100 GM) and aggregation‐induced emission (AIE) properties are reported. The new compounds are red/NIR emissive and show large Stokes shifts (Δ λ ≥ 3571 cm −1 ). 1,2‐Distearoyl‐ sn ‐glycero‐3‐phosphoethanol amine‐ N ‐[maleimide(polyethylene glycol)‐2000 (DSPE‐PEG‐Mal) is used as the encapsulation matrix to encapsulate DPP‐2 , followed by surface functionalization with cell penetrating peptide (CPP) to yield DPP‐2‐CPP nanoparticles with high brightness, good water dispersibility, and excellent biocompatibility. DPP‐2 nanoparticles have been used for cell imaging and two‐photon imaging with clear visualization of blood vasculature inside mouse ear skin with a depth up to 80 μm.

Efficient long‐term cell tracing in a noninvasive and real‐time manner is of great importance to understand genesis, development, invasion, and metastasis of cancerous cells. Cell penetrating organic dots with aggregation‐ induced emission (AIE) characteristics are successfully developed as long‐term cell trackers. The AIE dots enjoy the advantages of high emission efficiency, large Stokes shift, good biocompatibility, and high photostability, which ensure their good performance in long‐term non‐invasive in vitro cell tracing. Moreover, it is the first report that AIE dots exhibit certain permeability to cellular nucleus, making them attractive potential candidates for nucleus imaging. The AIE dots display superior performance compared to their counterparts of inorganic quantum dots, opening a new avenue in the development of fluorescent probes for monitoring biological processes.

We report for the first time that organic nanoparticles with photodynamic activity and aggregation-induced emission characteristics are developed for targeted and image-guided photodynamic cancer therapy.

We report a fluorescent light-up probe AIE-Lyso-1 for in situ visualization of lysosomal esterase activity. The probe is based on a salicyladazine fluorogen, which is conjugated with esterase reactive acetoxyl groups and lysosome-targeting morpholine moieties. The probe has characteristics of both aggregation-induced emission (AIE) and excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT), which shows significant advantages, such as lysosome-specific targeting, no self-quenching at high concentration, excellent light-up ratio, large Stokes shift, low cytotoxicity, and high specificity to esterase. It has also been used for in situ monitoring of lysosomal esterase activity and tracking lysosomal movements in living cells, which has great potential for the diagnosis of Wolman disease caused by deficiency of lysosomal esterase.

Mitochondria-targeted AIE photosensitizers show multifunctions of targeted and image-guided combination chemotherapy and photodynamic therapy.