Immunogenic cell death (ICD) provides momentous theoretical principle for modern cancer immunotherapy. However, the currently available ICD inducers are still very limited and photosensitizer-based ones can hardly induce sufficient ICD to achieve satisfactory cancer immunotherapy by themselves. Herein, an organic photosensitizer (named TPE-DPA-TCyP) with a twisted molecular structure, strong aggregation-induced emission activity, and specific ability is reported for effectively inducing focused mitochondrial oxidative stress of cancer cells, which can serve as a much superior ICD inducer to the popularly used ones, including chlorin e6 (Ce6), pheophorbide A, and oxaliplatin. Furthermore, more effective in vivo ICD immunogenicity of TPE-DPA-TCyP than Ce6 is also demonstrated using a prophylactic tumor vaccination model. The underlying mechanism of the effectiveness and robustness of TPE-DPA-TCyP in inducing antitumor immunity and immune-memory effect in vivo is verified by immune cell analyses. This study thus reveals that inducing focused mitochondrial oxidative stress is a highly effective strategy to evoke abundant and large-scale ICD.

Photodynamic therapy (PDT), which relies on photosensitizers (PS) and light to generate reactive oxygen species to kill cancer cells or bacteria, has attracted much attention in recent years. PSs with both bright emission and efficient singlet oxygen generation have also been used for image-guided PDT. However, simultaneously achieving effective 1 O2 generation, long wavelength absorption, and stable near-infrared (NIR) emission with low dark toxicity in a single PS remains challenging. In addition, it is well known that when traditional PSs are made into nanoparticles, they encounter quenched fluorescence and reduced 1 O2 production. In this contribution, these challenging issues have been successfully addressed through designing the first photostable photosensitizer with aggregation-induced NIR emission and very effective 1 O2 generation in aggregate state. The yielded nanoparticles show very effective 1 O2 generation, bright NIR fluorescence centered at 820 nm, excellent photostability, good biocompatibility, and negligible dark in vivo toxicity. Both in vitro and in vivo experiments prove that the nanoparticles are excellent candidates for image-guided photodynamic anticancer therapy.

The exciting applications of molecular motion are still limited and are in urgent pursuit, although some fascinating concepts such as molecular motors and molecular machines have been proposed for years. Utilizing molecular motion in a nanoplatform for practical application has been scarcely explored due to some unconquered challenges such as how to achieve effective molecular motion in the aggregate state within nanoparticles. Here, we introduce a class of near infrared-absorbing organic molecules with intramolecular motion-induced photothermy inside nanoparticles, which enables most absorbed light energy to dissipate as heat. Such a property makes the nanoparticles a superior photoacoustic imaging agent compared to widely used methylene blue and semiconducting polymer nanoparticles and allow them for high-contrast photoacoustic imaging of tumours in live mice. This study not only provides a strategy for developing advanced photothermal/photoacoustic imaging nanoagents, but also enables molecular motion in a nanoplatform to find a way for practical application.

Significance Nanotechnology-based drug delivery is expected to bring new hope for cancer treatment by enhancing anticancer drug efficacy, overcoming drug resistance, and reducing drug toxicity. In this respect, we developed an innovative drug delivery system based on a self-assembling amphiphilic dendrimer, which can generate supramolecular nanomicelles with large void space in their core to encapsulate anticancer drugs with high loading capacity. The resulting drug-encapsulated nanomicelles can effectively enhance drug potency and combat drug resistance by promoting cellular uptake and decreasing efflux of the anticancer drug. Moreover, this drug delivery system can significantly reduce the systemic toxicity of the free drug. The present study illustrates a successful example of how advances in dendrimer nanotechnology can be advantageously implemented to foster therapeutic perspectives.

Abstract Fluorescence and photoacoustic imaging have different advantages in cancer diagnosis; however, combining effects in one agent normally requires a trade-off as the mechanisms interfere. Here, based on rational molecular design, we introduce a smart organic nanoparticle whose absorbed excitation energy can be photo-switched to the pathway of thermal deactivation for photoacoustic imaging, or to allow opposed routes for fluorescence imaging and photodynamic therapy. The molecule is made of a dithienylethene (DTE) core with two surrounding 2-(1-(4-(1,2,2-triphenylvinyl)phenyl)ethylidene)malononitrile (TPECM) units (DTE-TPECM). The photosensitive molecule changes from a ring-closed, for photoacoustic imaging, to a ring-opened state for fluorescence and photodynamic effects upon an external light trigger. The nanoparticles’ photoacoustic and fluorescence imaging properties demonstrate the advantage of the switch. The use of the nanoparticles improves the outcomes of in vivo cancer surgery using preoperative photoacoustic imaging and intraoperative fluorescent visualization/photodynamic therapy of residual tumours to ensure total tumour removal.

Abstract Host–guest complexation between calix[5]arene and aggregation‐induced emission luminogen (AIEgen) can significantly turn off both the energy dissipation pathways of intersystem crossing and thermal deactivation, enabling the absorbed excitation energy to mostly focus on fluorescence emission. The co‐assembly of calix[5]arene amphiphiles and AIEgens affords highly emissive supramolecular AIE nanodots thanks to their interaction severely restricting the intramolecular motion of AIEgens, which also show negligible generation of cytotoxic reactive oxygen species. In vivo studies with a peritoneal carcinomatosis‐bearing mouse model indicate that such supramolecular AIE dots have rather low in vivo side toxicity and can serve as a superior fluorescent bioprobe for ultrasensitive fluorescence image‐guided cancer surgery.

Abstract The shortage of high quantum yield (QY) organic fluorophores in the second near‐infrared window (NIR‐II) has become a bottleneck in bioimaging field. Now, a simple strategy is proposed to address this: constitutional isomerization on the basis of the molecular design philosophy of aggregation‐induced emission. With the combination of backbone distortion and rotor twisting, the resultant NIR‐II fluorophore 2TT‐ o C6B displays an emission peak at 1030 nm and a QY of 11% in nanoparticles, one of the highest reported so far. Control molecules confirm that the distorted backbone and twisted rotors play equally important roles in determining the fluorescence properties of the NIR‐II fluorophores. To allow for the targeting ability to reach deeply located diseases, neutrophils (NEs) are used to penetrate the brain tissues and accumulate in the inflammation site. Herein, it is shown that NEs carrying 2TT‐ o C6B nanoparticles can penetrate the blood‐brain‐barrier and visualize the deeply located inflammation through an intact scalp and skull. Notably, the bright 2TT‐ o C6B contributes to a significantly enhanced signal‐to‐background ratio of 30.6 in the brain inflammation site.

Intermetallic Pt-based nanoparticles have displayed excellent activity for the oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells. However, it remains a great challenge to synthesize highly atomically ordered Pt-based nanoparticle catalysts because the formation of an atomically ordered structure usually requires high-temperature annealing accompanied by grain sintering. Here we report the direct epitaxial growth of well-aligned, highly atomically ordered Pt3Fe and PtFe nanoparticles (< 5 nm) on single-walled carbon nanotube (SWCNT) bundle films. The long-range periodically symmetric van der Waals (vdW) interactions between SWCNT bundles and Pt-Fe nanoparticles play an important role in promoting not only the alignment ordering of inter-nanoparticles but also the atomic ordering of intra-nanoparticles. The ordered Pt3Fe/SWCNT hybrid catalyst showed enhanced ORR catalytic performance of 2.3-fold higher mass activity and 3.1-fold higher specific activity than commercial Pt/C. Moreover, the formation of an interlocked interface and strong vdW interaction endow the Pt-Fe/SWCNT catalysts with extreme long-term stability in potential cycling and excellent anti-thermal sintering ability.