【有机】胺基萘醌-联悉尼酮“光点击-释放”反应系统,实现单细胞荧光开启和原位构建光动力治疗药效团

学术   2024-11-25 08:10   北京  


“点击”化学理念自2001年被K. Barry Sharpless提出、诞生以来,凭借卓越的效率在药物研发与生物材料构造等多个领域大放异彩。然而,在错综复杂的生物活体内环境中,实现“点击”化学原位合成活性药物分子是前沿的研究领域,仍具有挑战性,特别是在无催化剂的情况下。在“生物正交-释放”策略中(图1a),研究人员可以巧妙地结合“点击”化学,不仅促进了药物的原位生成,还实现了荧光团的原位释放、激活,以达到荧光追踪与治疗的双重功能整合,为诊疗一体化开辟了新途径。

而光点击化学则在点击化学的基础上赋予了光控的维度、具备时空可控性,其高度的精确性为单细胞、单细胞器的精准研究带来了新的化学工具。当“光点击”反应与生物正交-释放策略相融合时(图1b),它们共同为单细胞层面的追踪与时空精准调控提供了潜在的解决方案,有望突破当前的技术瓶颈,为研究群体细胞中个体功能提供基础。

近日,四川大学化学学院的余志鹏教授课题组团队,报道了以2-胺基萘醌为亲偶极体,联悉尼酮为1,3-偶极体前体的“光点击-释放”反应系统(图1)。2-胺基萘醌与常见的亲偶极体(环张力烯烃、环张力炔烃)不同,是由芳香伯胺与1,4-萘醌在常温下发生迈克尔加成后的氧化产生,合成简单;经过高浓度谷胱甘肽和光照测试表明2-胺基萘醌足够稳定,具备较好的生物兼容性;更为重要的是,该“光点击-释放”反应可以释放萘醌上的芳香伯胺,同时产生苯并吲唑醌(BIZON),可以原位构建一种新颖的PDT(光动力治疗)光敏剂(图1c)。

图1. 报道的“生物正交-释放”策略和“光点击-释放”策略以及本研究中的“光点击-释放”原位生PDT药效团。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

通过筛选发现常见的双芳基悉尼酮与胺基萘醌的反应存在不少副反应。而表现较好的是465 nm激发的双芳基悉尼酮(a4)和405 nm可激发的C2对称联悉尼酮(a7),这两类悉尼酮不仅与2-胺基萘醌的反应产率高,且激发波长达到可见光区域(图2)。

图2.“光点击-释放”反应中针对悉尼酮性能的筛选。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

作者在扩展萘醌试剂时发现(图3),能够实现“光点击-释放”效果的不仅只限于2-胺基萘醌即发生(C-N键断裂),同时也涉及C-O键、C-S (SO) 键等断裂及其分子释放,且反应产率高,比如,吲哚美辛-2-O-萘醌(b23)。

图3. 萘醌类“光点击”亲偶极体的扩展。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

为了成像示踪单个细胞,以及执行单细胞光动力治疗效果,作者选择了连有荧光团和靶向线粒体的三苯基膦单元的胺基萘醌(b37)为亲偶极体,以背景荧光小的联悉尼酮(a7TPP)作为偶极体前体,结合数字微镜技术实现单个细胞荧光生色成像,作者再结合生成产物BIZON7-TPP的PDT效力,在实验中同时实现了单个细胞的荧光示踪与精准杀伤治疗(图4)。

图4. 靶向线粒体的胺基萘醌与联悉尼酮的“光点击-释放”+光动力治疗 a) “光点击-释放”反应+光动力治疗示意图;b) 四种肿瘤细胞在PDT治疗后的存活曲线;c/d) “光点击-释放”反应用于单个细胞的荧光示踪和光动力治疗杀伤。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

最后,作者将具有更长吸收波长的双芳基悉尼酮(a4)修饰成能够靶向线粒体的a9TPP,使其与b37发生“光点击-释放”反应。通过细胞CCK8存活率评估(图5),作者发现BIZON9-TPP在520 nm LED照射下的PDT效力远高于常见的商业光敏剂 (Ir(dtbpy)[dF(CF3)ppy]2)PF6和(Ru(phen)3(PF6)2,且可以通过“光点击-释放”反应,在胞内原位构建BIZON9-TPP,达到较为优秀的PDT杀伤效力(图5g)。


图5. 基于双芳基悉尼酮构建的苯并吲唑醌BIZON9-TPP,及其与商业金属配合物光敏剂的PDT效力的对比。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

总结与展望

本研究创新性地设计了一种基于两步连续反应的新型“生物正交光点击-释放”策略。不同于其他萘醌衍生物,2-芳胺基萘醌展现出优异的偶极受体性质,即使在光照射条件下也具有良好的生物稳定性,是一种多功能生物正交报告分子。该“光点击-释放”反应能够在原位构建药效团BIZON,同时释放出具有荧光监测或药物疗效挽救特性的芳胺。实验证实,BIZON是强效的光敏剂,能够催化生成单线态氧(1O2)和活性氧物种(ROS),用于癌细胞的II型PDT。荧光团的释放实现了50倍的荧光增强,用于单细胞成像追踪。通过线粒体靶向,实现了波长门控照射下的单细胞分辨率实时追踪诊疗。BIZON9-TPP在520 nm光照下表现出优异光动力治疗效果。未来为了确保在该系统能在活体中实现诊疗一体化效果,作者将进一步优化,使“光点击”反应的激发波长延长至近红外,或将该系统与上转化纳米材料相结合。

相关论文发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。四川大学化学学院的博士研究生李宝林为该论文的第一作者,通讯作者是余志鹏教授和赵小虎副教授。

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):
Photoclick and Release for Spatiotemporally Localized Theranostics of Single Cells via In Situ Generation of 1,3- Diaryl-1H-benzo[f]indazole-4,9-dione
Bao-Lin Li, Sitong Li, Cefei Zhang, Yuqiao Zhou, Xiaohu Zhao, Zhipeng Yu
Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202416111

导师介绍
余志鹏
https://www.x-mol.com/university/faculty/26696


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