Metal-organic frameworks (MOFs), also known as coordination polymers, represent an interesting class of crystalline molecular materials that are synthesized by combining metal-connecting points and bridging ligands. The modular nature of and mild conditions for MOF synthesis have permitted the rational structural design of numerous MOFs and the incorporation of various functionalities via constituent building blocks. The resulting designer MOFs have shown promise for applications in a number of areas, including gas storage/separation, nonlinear optics/ferroelectricity, catalysis, energy conversion/storage, chemical sensing, biomedical imaging, and drug delivery. The structure-property relationships of MOFs can also be readily established by taking advantage of the knowledge of their detailed atomic structures, which enables fine-tuning of their functionalities for desired applications. Through the combination of molecular synthesis and crystal engineering, MOFs thus present an unprecedented opportunity for the rational and precise design of functional materials.

Ovarian cancer is the leading cause of death among women with gynecological malignancies. Acquired resistance to chemotherapy is a major limitation for ovarian cancer treatment. We report here the first use of nanoscale metal–organic frameworks (NMOFs) for the co-delivery of cisplatin and pooled small interfering RNAs (siRNAs) to enhance therapeutic efficacy by silencing multiple drug resistance (MDR) genes and resensitizing resistant ovarian cancer cells to cisplatin treatment. UiO NMOFs with hexagonal-plate morphologies were loaded with a cisplatin prodrug and MDR gene-silencing siRNAs (Bcl-2, P-glycoprotein [P-gp], and survivin) via encapsulation and surface coordination, respectively. NMOFs protect siRNAs from nuclease degradation, enhance siRNA cellular uptake, and promote siRNA escape from endosomes to silence MDR genes in cisplatin-resistant ovarian cancer cells. Co-delivery of cisplatin and siRNAs with NMOFs led to an order of magnitude enhancement in chemotherapeutic efficacy in vitro, as indicated by cell viability assay, DNA laddering, and Annexin V staining. This work shows that NMOFs hold great promise in the co-delivery of multiple therapeutics for effective treatment of drug-resistant cancers.

Metal-organic frameworks (MOFs) are a class of hybrid materials self-assembled from organic bridging ligands and metal ion/cluster connecting points. The combination of a variety of organic linkers, metal ions/clusters, and structural motifs can lead to an infinite array of new materials with interesting properties for many applications. In this Forum Article, we discuss the design and applications of MOFs in chemical sensing and biological imaging. The first half of this article focuses on the development of MOFs as chemical sensors by highlighting how unique attributes of MOFs can be utilized to enhance sensitivity and selectivity. We also discuss some of the issues that need to be addressed in order to develop practically useful MOF sensors. The second half of this article focuses on the design and applications of nanoscale MOFs (NMOFs) as imaging contrast agents. NMOFs possess several interesting attributes, such as high cargo loading capacity, ease of postmodification, tunable size and shape, and intrinsic biodegradability, to make them excellent candidates as imaging contrast agents. We discuss the use of representative NMOFs in magnetic resonance imaging (MRI), X-ray computed tomography (CT), and optical imaging. Although still in their infancy, we believe that the compositional tunability and mild synthetic conditions of NMOF imaging agents should greatly facilitate their further development for clinical translation.

Combination therapy enhances anticancer efficacy of both drugs via synergistic effects. We report here nanoscale coordination polymer (NCP)-based core–shell nanoparticles carrying high payloads of cisplatin and the photosensitizer pyrolipid, NCP@pyrolipid, for combined chemotherapy and photodynamic therapy (PDT). NCP@pyrolipid releases cisplatin and pyrolipid in a triggered manner to synergistically induce cancer cell apoptosis and necrosis. In vivo pharmacokinetic and biodistribution studies in mice show prolonged blood circulation times, low uptake in normal organs, and high tumor accumulation of cisplatin and pyrolipid. Compared to monotherapy, NCP@pyrolipid shows superior potency and efficacy in tumor regression (83% reduction in tumor volume) at low drug doses in the cisplatin-resistant human head and neck cancer SQ20B xenograft murine model. We elucidated the in vitro/vivo fate of the lipid layer and its implications on the mechanisms of actions. This study suggests multifunctional NCP core–shell nanoparticles as a versatile and effective drug delivery system for potential translation to the clinic.

Microscale metal-organic frameworks (MOFs) were synthesized from photoactive Ru(II)-bpy building blocks with strong visible light absorption and long-lived triplet metal-to-ligand charge transfer ((3)MLCT) excited states. These MOFs underwent efficient luminescence quenching in the presence of either oxidative or reductive quenchers. Up to 98% emission quenching was achieved with either an oxidative quencher (1,4-benzoquinone) or a reductive quencher (N,N,N',N'-tetramethylbenzidine), as a result of rapid energy migration over several hundred nanometers followed by efficient electron transfer quenching at the MOF/solution interface. The photoactive MOFs act as an excellent light-harvesting system by combining intraframework energy migration and interfacial electron transfer quenching.

Amplified luminescence quenching has been demonstrated in metal-organic frameworks (MOFs) composed of Ru(II)-bpy building blocks with long-lived, largely triplet metal-to-ligand charge-transfer excited states. Strong non-covalent interactions between the MOF surface and cationic quencher molecules coupled with rapid energy transfer through the MOF microcrystal facilitates amplified quenching with a 7000-fold enhancement of the Stern-Völmer quenching constant for methylene blue compared to a model complex.