导读
目前的化学动力学疗法（CDT）主要依靠经典的Fenton或Haber-Weiss化学将內源性H2O2转化为剧毒的羟基自由基。然而，它们的抗癌效果受到酸性强度、H2O2水平和抗氧化防御系统的极大限制。近日，湖南大学谭蔚泓院士、刘艳岚教授课题组J. Am. Chem. Soc.上报道了新型适配体—药物偶联物（ApDC）用于非H2O2和pH依赖性癌症化学动力学疗法（DOI：10.1021/jacs.9b10755）。
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图1. 配体药物偶联物用于CDT（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
自由基是在几乎所有类型细胞都会产生的活性化学底物，低水平的自由基就可以在各种生物过程中发挥作用。与正常细胞不同的是，癌细胞通常会产生过多的自由基，主要是H2O2。在整个生命周期中，这些自由基通过影响代谢重编程驱动肿瘤的快速增殖、转移和其他与肿瘤发展有关事件的发生。超出阈值的自由基会造成不可逆的氧化损伤，最终导致细胞死亡。肿瘤细胞自由基水平比正常细胞的高，这也使得肿瘤细胞更易受到氧化攻击。因此，涉及特异性调控癌细胞氧化还原稳态的CDT诞生了，这是比传统疗法更有效治疗多种癌症的方法。目前大多数CDT依赖于经典的Fenton或Haber-Weiss化学，其应用受到两个关键因素的限制。一个因素是酸性，Fenton或Haber-Weiss反应在低pH（2-4）条件下才能高效发生，而肿瘤微环境不太适合该类反应发生。另一个因素是H2O2水平，肿瘤外源性H2O2异质性导致H2O2摄入不足，治疗效果显著下降。此外，抗氧化剂（如GSH）的抗氧化损伤也是化学动力学疗法面临的一个挑战。(记得关注标题下方公众号:化学加)
在此，作者报道引入生物正交化学和前药设计来创造一种新型适配体药物偶联物（ApDC）：适配体前药偶联物(ApPdC)微粒具有肿瘤微环境双靶向和自循环作用，可在癌细胞中原位扩大产生有毒自由基。ApPdC微粒由三种基团构成：作为肿瘤识别基团的适配体、Fe2+激活的自由基前药tetraoxane (“T”)和提供Fe2+激活“T”的高铁血红素。几个独特的性质使这种方法对增强和癌症靶向性CDT极具吸引力。与传统方法相比，作者的方法不需要额外的非功能脂类就实现自组装，显著提高药物装载量。在生理条件下，ApPdC微粒是没有活性的，而在癌症细胞中会发生一系列生物正交反应。特别地，负载的高铁血红素(Fe3+)被胞内谷胱甘肽还原为亚铁血红素(Fe2+)，触发“T”活化，直接释放出有毒的自由基。此外，高铁血红素消耗了谷胱甘肽能进一步降低癌细胞的抗氧化能力，从而发挥协同治疗作用。产生的亚铁血红素(Fe2+)可导致癌细胞产生更不稳定的Fe2+，进而参与下一周期前药在ApPdC微粒中的激活。
图2. 自循环和有毒自由基产生示意图（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
作者成功合成了分子自组装微粒ApPdC之后，通过凝胶电泳、动态光散射，原子力等方法分析了微粒的性质。电泳分析显示，适配体（AS1411）分子量增加，条带明亮致密，而ApPdC（即图中Ap-6G-“T”）分子量增加条带模糊。原子力显微镜进一步证实了电泳结果，ApPdC是均匀单分散的球形结构，平均直径为32.4 nm。动态光散射和Zeta电位结果表明，在生理条件下ApPdC微粒是稳定的（电位绝对值越大越稳定，一般30作为指标）。
图3. ApPdC微粒合成及各种性质（图片来源：J. Am. Chem. Soc. ）
随后，作者对ApPdC微粒被激活释放药物的机制进行了研究。癌细胞中的还原剂（如GSH）将ApPdC微粒中Fe3+还原为Fe2+，Fe2+激活前药从而触发级联的生物正交反应，用于原位扩增产生有毒的自由基，该过程不需要活性氧，也不依赖pH。
图4. 激活机理示意图（图片来源：J. Am. Chem. Soc. ）
在揭示了ApPdC微粒的激活机制后，作者对其肿瘤细胞识别和毒性自由基的原位生成能力进行了研究。首先作者以HepG2作为肿瘤模型研究ApPdC微粒的靶向能力和内化能力。流式和共聚焦数据显示，ApPdC微粒可以通过受体介导的靶向性特异性识别肿瘤细胞。与非靶向性微粒相比，ApPdC微粒被细胞摄取得更多。随后，作者评估了ApPdC微粒是否可以用于癌细胞中有毒自由基的定点释放。共聚焦图像表明，ApPdC微粒能比非靶向性微粒更有效的产生毒性自由基，这个过程可以不依赖强酸性环境。(记得关注标题下方公众号:化学加)
图5. 靶向性和内化能力的研究（图片来源：J. Am. Chem. Soc. ）
图6. 毒性自由基定点释放（图片来源：J. Am. Chem. Soc. ）
总结：作者通过前药和生物正交化学的结合成功地合成了一种新型靶向抗肿瘤药物。该药物利用肿瘤细胞异常的氧化还原稳态增强化学动力学治疗的靶向性和疗效。不同于传统的CDT药物，该药物不依赖活性氧和pH，还消耗GSH降低肿瘤细胞的抗氧化能力，还起到CDT协调治疗功能。
撰稿人：犟子柳
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