Activatable photosensitizers (PSs) have been widely used for the simultaneous fluorescence imaging and photodynamic ablation of cancer cells. However, the ready aggregation of traditional PSs in aqueous media can lead to fluorescence quenching as well as reduced phototoxicity even in the activated form. We have developed a series of PSs that show aggregation-enhanced emission and phototoxicity and thus the exact opposite behavior to that of previously reported PSs. We further developed a dual-targeted enzyme-activatable bioprobe based on the optimized photosensitizer and describe simultaneous light-up fluorescence imaging and activated photodynamic therapy for specific cancer cells. The design of smart probes should thus open new opportunities for targeted and image-guided photodynamic therapy.

Two faced nanoparticles: A zwitterionic polymer-based nanoparticle with response to tumor acidity is developed for enhanced drug delivery to tumors. The nanoparticles are neutrally charged at physiological conditions and show prolonged circulation time; after leaking into tumor sites, in the acidic extracellular tumor environment (pHe), nanoparticles are activated and become positively charged and are therefore efficiently taken up by tumor cells, leading to enhanced therapeutic effects in cancer treatment. Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by 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.

Targeted drug delivery to tumor cells with minimized side effects and real-time in situ monitoring of drug efficacy is highly desirable for personalized medicine. In this work, we report the synthesis and biological evaluation of a chemotherapeutic Pt(IV) prodrug whose two axial positions are functionalized with a cyclic arginine-glycine-aspartic acid (cRGD) tripeptide for targeting integrin αvβ3 overexpressed cancer cells and an apoptosis sensor which is composed of tetraphenylsilole (TPS) fluorophore with aggregation-induced emission (AIE) characteristics and a caspase-3 enzyme specific Asp-Glu-Val-Asp (DEVD) peptide. The targeted Pt(IV) prodrug can selectively bind to αvβ3 integrin overexpressed cancer cells to facilitate cellular uptake. In addition, the Pt(IV) prodrug can be reduced to active Pt(II) drug in cells and release the apoptosis sensor TPS-DEVD simultaneously. The reduced Pt(II) drug can induce the cell apoptosis and activate caspase-3 enzyme to cleave the DEVD peptide sequence. Due to free rotation of the phenylene rings, TPS-DEVD is nonemissive in aqueous media. The specific cleavage of DEVD by caspase-3 generates the hydrophobic TPS residue, which tends to aggregate, resulting in restriction of intramolecular rotations of the phenyl rings and ultimately leading to fluorescence enhancement. Such noninvasive and real-time imaging of drug-induced apoptosis in situ can be used as an indicator for early evaluation of the therapeutic responses of a specific anticancer drug.

The efficiency of the intersystem crossing process can be improved by reducing the energy gap between the singlet and triplet excited states (ΔE_ST), which offers the opportunity to improve the yield of the triplet excited state.

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.

Abstract Nanomaterials that combine diagnostic and therapeutic functions within a single nanoplatform are highly desirable for molecular medicine. Herein we report a novel theranostic platform based on a conjugated‐polyelectrolyte (CPE) polyprodrug that contains functionality for image, chemo‐ and photodynamic therapy (PDT), and on‐demand drug release upon irradiation with a single light source. Specifically, the PEGylated CPE serves as a photosensitizer and a carrier, and is covalently conjugated to doxorubicin through a linker that can be cleaved by reactive oxygen species (ROS). Under appropriate light irradiation, the CPE can generate ROS, not only for PDT, but also for on‐demand drug release and chemotherapy. This nanoplatform will offer on‐demand PDT and chemotherapy with drug release triggered by one light switch, which has great potential in cancer treatment.

Abstract Endo/lysosomal escape of gene vectors and the subsequent unpacking of nucleic acids in cytosol are two major challenges for efficient gene delivery. Herein, we report a polymeric gene delivery vector, which consists of a photosensitizer (PS) with aggregation‐induced emission (AIE) characteristics and oligoethylenimine (OEI) conjugated via an aminoacrylate (AA) linker that can be cleaved by reactive oxygen species (ROS). In aqueous media, the polymer could self‐assemble into bright red fluorescent nanoparticles (NPs), which can efficiently bind to DNA through electrostatic interaction for gene delivery. Upon visible light irradiation, the generated ROS can break the endo/lysosomal membrane and the polymer, resulting in light‐controlled endo/lysosomal escape and unpacking of DNA for efficient gene delivery. The smart polymer represents the first successful gene vector to simultaneously address both challenges with a single light excitation process.

A probe for the in situ monitoring of singlet oxygen generation during targeted theranostic photodynamic therapy is developed based on a photosensitizer with aggregation-induced emission (AIE) characteristics and conjugated to a fluorogenic rhodol dye via a singlet oxygen cleavable linker.

Bioorthogonal turn-on probes have been widely utilized in visualizing various biological processes. Most of the currently available bioorthogonal turn-on probes are blue or green emissive fluorophores with azide or tetrazine as functional groups. Herein, we present an alternative strategy of designing bioorthogonal turn-on probes based on red-emissive fluorogens with aggregation-induced emission characteristics (AIEgens). The probe is water soluble and non-fluorescent due to the dissipation of energy through free molecular motion of the AIEgen, but the fluorescence is immediately turned on upon click reaction with azide-functionalized glycans on cancer cell surface. The fluorescence turn-on is ascribed to the restriction of molecular motion of AIEgen, which populates the radiative decay channel. Moreover, the AIEgen can generate reactive oxygen species (ROS) upon visible light (λ=400-700 nm) irradiation, demonstrating its dual role as an imaging and phototherapeutic agent.

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.