研究进展：控制前药活化是提高药物传递效率和降低毒性的一般策略，生物正交反应或点击化学为前药活化提供了新思路。SQP33是一种被反式环烯烃（TCO）修饰的阿霉素前药，通过TCO-四嗪结扎在局部释放。使用抗体-药物偶联物（ADC）是细胞毒素传递到肿瘤细胞的一种常用方法，这种点击释放策略具有靶向非内化受体的能力和调整药物-抗体比例的灵活性。在芳硝基还原的前药开发中，利用实体瘤缺氧的特性开发的缺氧激活前药（HAP）可以选择性地靶向缺氧肿瘤细胞，并产生强效的细胞毒素。但该方法受限于实体瘤的复杂异质性且临床上缺乏可靠的缺氧生物标志物。硝基还原酶的异源表达是激活芳香硝基前药的另一种策略，但受限于酶催化效率与基因转染效率低。为了进一步推进芳香族硝基前药在癌症治疗中的应用，需要新的策略来规避肿瘤细胞固有的生物学特性，提高其激活效率。解决方案：本文提出了4,4'-二联吡啶介导的芳硝基还原反应用于前药激活的策略。这是一个可以在低微摩尔浓度和生物相容条件下进行的生物正交反应，且水在低底物浓度下起关键作用。作者首先用荧光探针以及其前体孵育细胞，通过PeT效应其荧光被硝基猝灭，还原硝基后恢复荧光。通过共聚焦显微镜和荧光强度定量分析分别观察到，添加B2(OH)4和4,4'-二联吡啶增加了细胞的荧光强度（图1A）且反应收率在20%-40%之间（图1B），表明该反应可以在生物相容条件下进行。在这项工作中，作者尝试将硝基还原的方法用于抗菌前药的激活。作者优化了甲氧苄啶（TMP）和磺胺二甲嘧啶（SMZ）的浓度比例，以达到最大的细菌生长抑制效果。结果显示，0.44μM TMP与44μM SMZ组合的协同给药能力最高（图2A），并证明了4,4'-二联吡啶介导的氮还原为抗微生物治疗提供了一种互补的前药策略（图2B）。此外，作者展示了一个4,4'-联吡啶介导的还原环化级联反应，用于在活细胞中合成吲哚衍生物。通过体外测试实验观察到Iberdomide的前药（Pro-Iber）+B2(OH)4/4,4'-二联吡啶组和Iber组的发光信号减少，表明该策略可以成功激活Pro-Iber并降解Super Degron融合萤火虫荧光素酶（Fluc-SD）。随后用表达FLuc-SD的4T1细胞构建动物模型，观察到药物治疗组的生物发光信号下降（图3A，B）。结果表明通过硝基还原的前药激活策略在体内具有生物相容性，并有望实现靶向给药。![]()
图1：（A）不同处理条件下THP-1活细胞的共聚焦荧光图像示意图；（B）荧光强度的定量示意图。
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图2：（A）TMP与SMZ联合作用后的细胞活力示意图；（B）经OD600复合处理后24h测定大肠杆菌的细胞活力示意图。
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图3：（A）荷瘤小鼠的生物发光成像结果示意图；（B）BLI信号的量化示意图。
结论：总之，本文报道了一个生物兼容的4,4'-二联吡啶介导的芳香硝基还原反应，以控制前药活化。该反应显示了良好的底物相容性，并能在低微摩尔浓度下进行，且发现水在该反应中起着关键作用。通过共聚焦显微镜观察到荧光强度增加，证明了该反应与活细胞的相容性。随后通过合成iberdomide的前药并在细胞中实现氮还原反应，证明该反应在蛋白质降解中的应用。此外，该前药激活策略可以应用于抗微生物治疗。后续设计了一个用于在活细胞中合成吲哚的硝基还原环化级联反应，并将其用于合成具有生物活性的吲哚衍生物，以诱导癌细胞死亡。最后，通过体内蛋白质降解实验，证明这种生物正交化学在动物模型中激活前药的能力。该方法将成为助力化学生物学和药物递送的有利工具。参考文献：Ling Chu et al, Prodrug activation by 4,4-bipyridinemediated aromatic nitro
reduction. Nat Commun. 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-52604-y.
