Sci. Adv.：铂类抗癌前药的声控活化

自1978年以来，顺铂等多种铂类抗癌药物便被广泛地应用于癌症治疗。但传统的二价铂药物始终受限于其较差的生理环境稳定性及非肿瘤特异性的药物代谢动力学性质。近数十年间，研究人员开发了四价铂前药策略：将二价铂药物氧化，使其转变为更加稳定的四价铂分子，并通过四价铂的轴向基团化学修饰引入其他多功能性基团，实现多靶点治疗或诊疗一体化的目标。传统的四价铂药物分子仅对肿瘤细胞内的还原性分子产生响应，从而还原为二价铂药物发挥活性；而光响应性的四价铂前药可受光激发快速释放二价铂药物，从而达成药物的可控活化，实现时间、空间层面的精准肿瘤治疗。

香港城市大学化学系的朱光宇教授（点击查看介绍）课题组长期致力于开发具有抗肿瘤活性的金属配合物及其功能化修饰，并探索由外源性刺激激活四价铂前药的方法及机理。该课题组报道了首个红光激发的四价铂前药phorbiplatin (Chem, 2019, 12, 3151)、靶向细胞核的蓝光激活四价铂前药coumaplatin (J. Am. Chem Soc. 2020, 142, 7803)、靶向线粒体的可见光激活四价铂前药rhodaplatin (Chem Sci. 2021, 19, 6536)、以及可被近红外光激活的四价铂纳米前药(Chem. Sci., 2021, 12, 14353) 等多种光激活四价铂前药，并研究了其光激活机理及抗癌机理。

然而，光学激发的组织穿透深度始终受光散射、组织吸收等多因素限制，难以实现临床应用中对深度病灶非侵入性治疗的需求。尽管超声引起的机械能或空化效应可以使蛋白、高分子或脂质体纳米系统产生响应性的药物释放，使用超声实现小分子的化学键断裂依然具有较高的挑战性。近期，香港城市大学朱光宇教授课题组设计、开发了一种可被聚焦超声激活的小分子四价铂前药 (图1)，并与王立代教授课题组开发的具有超声成像功能的焦点可移动式聚焦超声阵列 (图2A) 相结合，实现了在细胞、活体层面的超声响应性精准小分子药物激活。该线粒体靶向性的前药可被聚焦超声通过超声敏化 (sonosensitization) 作用有效激活，并通过活性氧物种生成、二价铂药物释放、以及细胞内氧化还原平衡扰乱达成对癌细胞的高效灭杀。此种由超声可控活化前药分子实现的治疗模式被命名为超声敏化化疗(sonosensitized chemotherapy)。在小鼠活体模型中，通过结合超声、光声、以及近红外光学成像，聚焦超声可以实现具有高度空间、时间精度的前药激活。此外，经激活的前药分子可引发癌细胞的免疫原性死亡，并可在活体肿瘤模型中增强T细胞对肿瘤内部的渗透及T细胞活化。

图1. 超声可控活化的四价铂前药作用示意图。图片来源：Sci. Adv.

作者选取声敏剂IR780以及临床用化疗药物卡铂作为模型分子，合成了一种轴向基团为声敏剂的四价铂前药分子，并命名其为cyaninplatin。Cyaninplatin可在PBS缓冲液、抗坏血酸溶液、以及细胞裂解液中保持稳定。但在抗坏血酸溶液中受聚焦超声激活后，可在1 h内被快速还原 (图2B，2C)，释放出可有效与ctDNA结合的卡铂 (图2D，2E)。

图2. (A) 具有超声成像功能的焦点可移动聚焦超声系统图示。(B) Cyaninplatin在2 mM抗坏血酸溶液中的超声响应还原以及(C)时间变化曲线。(D) LC-MS验证还原产物卡铂。(E) 超声刺激前后的Pt-ctDNA结合。图片来源：Sci. Adv.

图3. (A-D) 不同处理条件下HeLa细胞的形貌变化。(E) Cyaninplatin在超声激活后引起内质网形态变化。(F, G) Cyaninplatin引发paraptosis的相关蛋白通路变化。图片来源：Sci. Adv.

体外实验表明，cyaninplatin具有高效的细胞摄入及线粒体靶向性，且能够在四价铂前药还原过程中扰乱细胞内氧化还原平衡。相比声敏剂分子与卡铂的等量混合物，cyaninplatin在多种癌细胞中表现出更加优异的细胞毒性，并能有效克服卡铂在A2780cisR与A549cisR耐药细胞中的耐药性。更有意思的是，cyaninplatin可通过内质网应激触发细胞的类凋亡(paraptosis，图3)，而类凋亡是一种与免疫原性细胞死亡具有高度关联性的细胞死亡模式，将有助于提高免疫系统对于肿瘤的识别。

图4. (A) 超声成像3D重构确定肿瘤尺寸。(B) 光声断层成像确定药物的肿瘤富集。(C) 肿瘤生长曲线，(D) 肿瘤重量，(F) 肿瘤照片。(F) 肿瘤切片的免疫荧光染色图。治疗组别：i.空白对照组；ii.卡铂、声敏剂混合物；iii. cyaninplatin；iv.超声；v.混合物+超声；vi. cyaninplatin+超声。图片来源：Sci. Adv.

小鼠皮下瘤模型中，研究团队首先通过超声成像3D重构确定了肿瘤几何尺寸以及超声聚焦点的移动范围 (图4A)。而通过光声断层成像与近红外荧光光学成像，cyaninplatin在小鼠肿瘤中的富集时间也得到确定 (图4B)。在成像系统辅助下，聚焦超声可有效地激活肿瘤内的前药分子，最终达成了高效的肿瘤抑制 (图4C-4E)。此外，通过免疫荧光分析，T细胞可进入肿瘤内，达成对肿瘤的免疫识别 (图4F)。

综上所述，该研究开发了一类可被超声激活的小分子四价铂前药，并在体外细胞实验与小鼠肿瘤模型中验证了基于此类前药的超声敏化化疗。该研究展示了一种全新的铂类前药激活手段，并显著地扩展了可激活四价铂前药的可应用场景。

该成果近日发表于Science Advances，香港城市大学化学系朱光宇教授及香港城市大学生物医学工程系王立代教授为共同通讯作者，化学系博士研究生刘功远和生物医学工程系博士后张雅超为本文共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

An Ultrasound-Activatable Platinum Prodrug for Sono-Sensitized Chemotherapy

Gongyuan Liu, Yachao Zhang, Houzong Yao, Zhiqin Deng, Shu Chen, Yue Wang, Wang Peng, Guohan Sun, Man-Kit Tse, Xianfeng Chen, Jianbo Yue, Yung-Kang Peng, Lidai Wang, Guangyu Zhu

Sci. Adv., 2023, DOI: 10.1126/sciadv.adg5964

导师介绍

朱光宇

https://www.x-mol.com/university/faculty/26823