离子对效应介导红光催化实现金配合物抗癌前药的高效、靶向激活

推文作者：中山大学邹滔滔课题组/南京大学魏炜课题组

光催化可实现在局部区域产生高活性物种，以光为媒介的治疗手段如光动力学疗法（PDT）因具有高时光可控性、低毒副作用而被开发为一种临床上有效的癌症治疗策略。然而，缺氧的肿瘤微环境使得PDT难以在体内广泛应用。为此，光激活前药策略得到发展，尤其是基于光激活的化疗药物或暴露活性金属配位点的化合物得以发展起来。在前人的研究中，利用前药的内在光化学性质或通过共价引入发色团的方式，已经实现了一些有机或无机前药的红光激活。此外，前药也可以通过光催化来激活，通过使用外部光敏剂从而开发了不具备吸光特性前药的激活方式。然而，双分子光催化活化过程的效率很大程度上受到复杂的生理环境的干扰，而且也无法特异性地在疾病组织发挥作用。因此，探索一种有效的靶向光催化活化策略具有重要价值。

在自然界中，静电相互作用可以在很大程度上影响生物分子的构象、动力学和功能。同时，在光氧化还原催化过程中，反离子可以显著影响离子催化剂的电荷分布，从而使其产生不同的光反应活性。因此，本文作者设想由带电的前药和长波长吸收的光敏剂组成离子对，使用这一策略提高光治疗效果。由于活性金配合物对含有硫醇的酶具有很强的抑制作用，可作为一种克服顺铂耐药的潜在替代品；此外其生物活性可以有效地通过配体修饰来调控，这些特性使得金配合物在前药开发中崭露头角。因此在这里使用金配合物为例证明离子对效应在光催化前药激活领域的一种概念验证研究。

近日，中山大学邹滔滔（点击查看介绍）课题组与南京大学魏炜（点击查看介绍）课题组报道了离子对效应介导的红光催化反应，实现金配合物抗癌前药的高效、靶向激活。在金（III）氢化物前药（1d）上修饰pH敏感的吗啉基团，与阴离子光催化剂Eosin Y（EY）或孟加拉玫瑰（RB）联用，在光照下可以实现前药的激活。由于EY具有较强的酸性，其pKa分别为2.0和3.8，而1d中的吗啉是弱碱（pKa = 6.9），他们的混合物会产生酸性-碱反应。当1d和EY在氘代DMSO中混合时，核磁共振氢谱分析显示，在1d配合物的吗啉基团上、EY的羟基和羧酸基附近，¹H信号都产生了显著的化学位移或形状改变，这是典型的酸-碱反应。更有趣的是，当“1d+EY”混合物在水溶液（H₂O/DMSO = 9/1，v/v）中稀释时，观察到EY的颜色从粉红色显著变化到玫瑰红色。吸收光谱显示，“1d+EY”混合物在560 nm处有一个明显的肩峰，并在近红外区域（750-800 nm）有很长的拖尾。而EY本身，仅在530 nm左右有最大吸收，且吸收峰一直在560 nm以内。EY与1a、1b、1c混合物的吸收光谱也同样记录下来；然而，在可见光区域的吸收没有变化。相关论文发表于J. Am. Chem. Soc.，第一作者为谢志英（中山大学）、曹蓓[香港科技大学（广州）]、赵静（南京大学）、刘默逸（中山大学）。

作者随后测试了1d在体内是否可以被红光选择性地激活。首先建立了一种能够模拟肿瘤微环境的斑马鱼肿瘤异种移植模型，将稳定表达EGFP的HCT116细胞注射到免疫系统不成熟的野生型斑马鱼的卵黄囊中。1天后，用“1d+RB”（使用RB以避免EY的绿色发射干扰）处理种瘤的斑马鱼，然后用630 nm光照射。如图所示，与没有1d、RB或黑暗条件的组相比，“1d+RB”-630 nm组的绿色发射几乎完全消失，表明在这个肿瘤模型中可以有效释放活性金。由于先前的报道已经证明，活性金可以有效地抑制与斑马鱼肿瘤血管生成相关的血管形成，因此进一步研究了“1d+EY”在斑马鱼发育过程中对血管形成是否有影响。将Tg（flk1-EGFP）^S843转基因的斑马鱼胚胎用“1d+EY”或相同浓度的单个1d、EY或溶剂处理1 h，然后用600 nm光照射。在胚胎发育5天后，采集荧光图像。如图所示，“1d+EY”处理并红光照射的斑马鱼血管系统明显受损，特别是在DLAV和ISV的部位。相比之下，单独1d、单独EY或不照光处理组的斑马鱼血管生长正常，表明可在斑马鱼模型中有效释放活性金。

综上所述，本工作发现了一种高效靶向激活含吗啉前药的策略，这是通过引入光敏剂EY/RB来实现的，它可以与含吗啉的金（III）氢化物前药1d形成离子对，并有效地激活该金前药的硫醇反应性和抗癌活性。值得注意的是，吗啉部分使离子对效应对pH敏感，在微酸性条件下吸收光谱有显著的位移现象并拖尾至红光区域。这导致该体系在肿瘤酸性微环境中选择性地形成离子对，而不是在弱碱性的正常部位，使得在体内外对癌细胞表现出显著的靶向光治疗效果。鉴于在含吗啉（胺）的临床药物、光笼化合物或标记反应中间体的化合物中也同样发现了类似的离子对现象，作者认为这种离子对策略不仅为靶向药物激活提供了充足的机会，而且为分子相互作用的标记提供了可靠方法。

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Ion Pairing Enables Targeted Prodrug Activation via Red Light Photocatalysis: A Proof-of-Concept Study with Anticancer Gold Complexes

Zhiying Xie, Bei Cao, Jing Zhao, Moyi Liu, Yuhan Lao, Hejiang Luo, Zhi Zhong, Xiaolin Xiong, Wei Wei*, and Taotao Zou*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 8547–8556, DOI: 10.1021/jacs.4c00408

导师介绍

邹滔滔

https://www.x-mol.com/university/faculty/65036 

魏炜

https://www.x-mol.com/university/faculty/336271