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Angew：利用雙受體介導的生物正交激活策略實現精準的抗腫瘤光動力治療

來源：化學加原創      2022-12-09
導讀：近期，香港中文大學的Dennis K. P. Ng教授課題組報道了一種新的雙受體介導的生物正交激活策略，以增強光動力作用的腫瘤特異性。在該設計策略中，只有對于同時過度表達生物素受體和表皮生長因子受體（EGFR）的癌細胞，生物素修飾的四嗪取代的光敏劑以及EGFR與BCN嗜二烯受體相連的靶向肽才能優先內化，然后兩種組分進行快速的生物正交逆電子需求Diels-Alder反應，形成相應的環加合物以破壞四嗪淬滅單元，從而恢復光敏劑的熒光和產生ROS的能力。通過使用這兩種受體表達水平不同的細胞系，作者證明了這種逐步“傳遞-點擊”的方法可以實現對特定類型癌細胞的精準光動力作用。相關成果以“Toward Precise Antitumoral Photodynamic Therapy Using a Dual Receptor-Mediated Bioorthogonal Activation Approach”為題發表于Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.202214473)。

光動力療法（PDT）已成為一種很有前途的抗癌方法，與傳統的癌癥治療方式相比，PDT具有相對無創性，而且由于其獨特的光生物學機制，可以重復應用，沒有耐藥問題。為了增強腫瘤的定位，光敏劑通常與腫瘤靶向配體結合，如抗體、多肽、適配體和葉酸。雖然這種主動靶向方法可以使光敏劑靶向傳遞，但正常細胞意外攝取這些偶聯物仍然是不可避免的，因為大多數癌癥相關受體并不只在癌細胞中表達。此外，一些靶受體的緩慢轉運很容易導致飽和，限制了受體介導的偶聯物的內吞作用。

為了規避這些問題，雙受體靶向策略已被探索，以促進光敏藥物的靶向傳遞。由于癌細胞經常過表達不止一個表面受體，這種雙受體靶向策略可以增加配體-受體相互作用的概率，與單一受體靶向方法相比，這增強了癌細胞的攝取和更精確的靶向。然而，在目前的設計中，兩個靶向配體通常被合并在一個單一的實體中，這就導致生物偶聯物仍然可以內化到只有兩種受體中的一種的細胞中，從而降低了對特定類型癌細胞的特異性。此外，由于這些生物偶聯物大多數是““always-on”的熒光團，因此不可避免地會有顯著的熒光背景信號。為了降低背景信號的干擾，生物正交開啟探針得到了積極的探索。生物正交探針在與相應的化合物進行生物正交偶聯后，可以恢復熒光發射，從而產生更高的信噪比。雖然這種方法已被用于生物成像，但使用生物正交化學來激活PDT的報道很少。鑒于此，Dennis K. P. Ng教授課題組基于前期工作設計的生物正交激活四嗪取代BODIPY光敏劑和高效的逆電子需求的Diels-Alder（IEDDA）反應，提出了一種雙受體介導的生物正交激活策略，以增強光動力作用的腫瘤特異性，降低對正常組織的毒副作用（圖1）。

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圖 1. 雙受體介導的生物正交激活光敏劑的設計示意圖（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

在該設計策略中，四嗪取代的BODIPY染料用作光敏劑，其中四嗪取代基既抑制了染料的發光和光敏活性，同時也是進行生物正交反應的單元。為了實現主動靶向，作者將廣泛使用的腫瘤靶向生物素配體引入到BODIPY上，從而得到了一種生物素受體靶向和可激活的雙功能光敏劑化合物1。對于另一種生物正交成分化合物2，BCN與線性肽CMYIEALDRYAC的環狀形式偶聯，該肽被發現對EGFR過表達的癌細胞具有很強的結合親和力。為了研究親二烯試劑對1活化的影響，作者將2的BCN-CH2基團替換為TCO部分得到化合物3進行比較。首先，為了確定BCN或TCO偶聯物對1的生物正交激活效果，作者研究了1與非肽偶聯的BCN-CH2OH和TCO-OH的IEDDA反應（圖2）。結果表明，與TCO相比，BCN可以在IEDDA反應后容易地生成具有明確立體化學性質的高熒光噠嗪產物。因此，BCN衍生物2表現為更好的親二烯試劑，并被選擇用于后續研究。

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圖 2. 化合物1與TCO-OH（或3）和BCN-CH2OH（或2）的IEDDA反應（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

接著，作者研究了化合物1的光物理性質（圖3）。化合物1在539 nm處有較強的吸收帶，當激發波長為510 nm時，在556 nm處可以觀察到微弱的熒光，熒光量子產率為0.003。這種弱熒光發射可以歸因于兩個碘原子引起的重原子效應和四嗪基團的淬滅效應。而當加入化合物2后，雖然吸收光譜沒有明顯變化，但熒光強度大大增強，熒光量子產率為0.028。該熒光的增強是由四嗪部分轉化為噠嗪所引起的淬滅途徑的弛豫引起的。然后，作者進一步研究了化合物2激活1光動力治療效果的能力。當加入化合物2后，單線態氧產生的效率從0.20顯著提高到0.71，從而證明了生物正交激活PDT的可行性。

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圖 3. 化合物1的光物理性質（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

基于良好的光學實驗結果，作者接下來在細胞水平上研究了1與2偶聯時的靶向和激活效應（圖4）。作者選擇了四種不同的細胞系包括A549細胞（同時表達生物素受體和EGFR），HeLa細胞（只表達生物素受體），HCT116細胞（只表達EGFR）和HEK293細胞（兩種受體都不表達）。首先，作者確定了孵育時間，將上述細胞系的細胞與1孵育1 h，然后在有或不存在2的培養基中孵育6 h。結果顯示，僅與1孵育后，由于四嗪部分的強淬滅效應，所有四種細胞系均觀察到微弱的熒光。然而，在與2孵育后，A549細胞觀察到強烈的細胞內熒光，其強度增加了約5倍。對于其它三種細胞系，熒光信號仍然相對較弱。為了進一步證明活化的特異性，作者在體外研究中使用了2的非肽偶聯類似物，即BCN-CH2OH作為對照化合物。由于缺乏EGFR靶向環肽，BCN-CH2OH能夠以非選擇性的方式進入所有細胞，結果A549和HeLa細胞的熒光強度大約是其它兩種細胞系的2倍。同樣地，作者應用非生物素化的BODIPY 4進行了對照，從而證明了雙受體介導的生物正交激活策略的特異性。并且實驗結果表明這兩種生物正交組分可以很好地靶向到溶酶體。

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圖 4. 細胞成像實驗（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

此外，化合物1在細胞內被2激活的ROS生成能力也被證明（圖5）。而且，通過細胞毒性實驗驗證了這種雙受體靶向策略可以實現特異性靶向治療，僅在A549細胞中顯示出優異的光動力治療效果。

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圖 5. 細胞光動力治療實驗（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

總結

香港中文大學的Dennis K. P. Ng教授課題組開發了一種新的雙受體介導的生物正交激活方法，能夠特異性遞送和激活基于BODIPY的光敏劑用于靶向PDT。該設計策略包含兩種組分，分別為生物素修飾的四嗪取代的光敏劑以及EGFR與BCN嗜二烯受體相連的靶向肽，這兩種組分只有在同時表達生物素受體和EGFR的癌細胞中才能優先內化，然后進行快速的生物正交IEDDA反應，形成相應的環加合物以破壞四嗪淬滅單元，從而恢復光敏劑的熒光和產生ROS的能力。通過使用一系列生物素受體和EGFR表達水平不同的細胞系，作者證明了只有在生物素受體和EGFR表達的A549細胞中，光敏劑才可以被激活，為腫瘤的精準光動力治療提供了新思路。


文獻詳情：

Jacky C. H. Chu, Clarence T. T. Wong, Dennis K. P. Ng*. Toward Precise Antitumoral Photodynamic Therapy Using a Dual Receptor-Mediated Bioorthogonal Activation Approach. Angew. Chem. Int. Ed. 2022. https://doi.org/10.1002/anie.202214473

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