当材料遇上药物化学

类别:集团新闻    发布时间:2020-04-30 09:03

中山大学高理钱、厦门大学刘刚、广州医科大学许川山等研究发现包含吡啶的吩噻嗪鎓盐新型光敏剂(PSs),具有较高的光动力效应及较小的毒副作用,选择性地定位于溶酶体并光敏杀死癌细胞,且合成方便。此外,优选化合物5在光照射下具有增强细胞内活性氧(ROS)的生成速率,比亚甲基蓝(MB,一种基于吩噻嗪鎓的PS)高出近40倍,具有出色的光疗能力,显示了较好的光疗指数(PI=53.8),能快速消除异种移植模型小鼠的固体瘤。

光动力疗法(PDT),借助光敏剂(PS)在特定波长的光照源射下产生活性氧,有选择性的杀死癌细胞,被认为是一种安全且微创的治疗方法。

光敏蛋白是第一个被批准并且仍然是最常用的PS,其缺点包括成分不确定,较差的光谱吸收,清除时间较长和强烈的皮肤光毒性。可替代的批准的药物是基于卟啉的分子。但这类化合物的结构复杂难以合成制备。此外,还存在低溶解度,低光学稳定性,选择性差和功效低等局限。因此,近年来,对非卟啉类光敏剂的研究引起了极大的关注。其中,吩噻嗪鎓类是一种相对独特的材料。

溶酶体(靶向)是一种含有大量组织蛋白酶以执行关键的细胞分解代谢过程的细胞器,对于维持细胞稳态和调节包括细胞死亡在内的各种细胞过程至关重要。更重要的是,研究发现肿瘤细胞具有大量的溶酶体,并且其特异性损伤在引发癌细胞死亡方面非常有效。因此,基于PDT的癌症治疗通过亚细胞定位和靶向溶酶体,可能导致选择性损伤溶酶体并诱导随后的组织蛋白酶释放到细胞质中,从而触发癌细胞死亡。

光学性质(图1):光学参数测试结果表明,系列化合物消光系数远远大于过去报道的基于卟啉的光敏剂,而较强的吸光度是促使单态氧1O2产生的关键因素。此外,与基于卟啉的分子相比,化合物4-6在350-450 nm范围内未观察到吸收,这有望大大降低来自组织(例如血红素)的背景干扰并使日光诱导的皮肤光毒性最小化。光稳定性测试表明,将吡啶单元并入到吩噻嗪鎓骨架中可增强稳定性,从而大大降低了光分解速率,亲脂性(疏水性/亲水性)测试表明,具有烷基侧链的延伸致使亲脂性的提高。

单态氧1O2(激发态氧分子)量子产率(图2):ROS(通常为1O2)的生成是PDT中的主要细胞毒性原因,而DPBF(DPBF,1,3-二苯基异苯并呋喃被用作清除剂来检测1O2生成,因为它在412 nm处具有很强的吸收能力并且能够与1O2反应通过不可逆的环加成反应)的衰减速率反映了1O2的产生效率,并且可以通过光谱监测412 nm处的吸收来测量量子产率。结果表明,所有的测试化合物均显示是高效的单态氧生成剂(量子产率从0.08到0.14不等),并且在照射2分钟后可以彻底衰减DPBF。

光细胞毒性测试(图3):化合物对癌细胞系(肺癌:A549; 乳腺癌: MCF-7; 结肠癌: HT29)均显示出显著的细胞毒性。在0.1和0.5μM的浓度下,在不存在和存在光的条件下,针对HT29细胞的细胞毒性证明,化合物表现出低的暗毒性(无光照),而在光照射下却具有较强的细胞毒性。此外,强光诱导的细胞毒性表现出良好的照射时间依赖性,证实了良好的光控制响应。并且,化合物5在黑暗中对WI38细胞(正常成纤维细胞)的IC50值高于10μM,明显高于对HT29细胞的IC50值,表明其对肿瘤细胞的良好选择性。

细胞内ROS的产生和核染色(图4):PDT诱导的细胞死亡仅通过细胞内ROS的产生而发生。因此,研究者采用了流式细胞术,检测HT29癌细胞内ROS的产生。如图所示,所有这三种化合物都可以在照射后在细胞中产生ROS,其效率显着高于MB和对照组。并且,4-6的细胞内ROS生成与其体外光动力活性基本一致。同时,细胞荧光测定表明化合物5容易进入细胞而没有在细胞核中积累。

靶向验证(图5):在正常和肿瘤细胞中的共定位分析表明。化合物5可优先靶向溶酶体。同时,该化合物未明显在线粒体聚集。类似地,化合物4, 6也主要靶向溶酶体,这些数据表明吡啶嵌入的吩噻嗪鎓盐可能有潜力被开发作为溶酶体靶向PSS。

体内药代动力学研究(图6):化合物5显示了杰出的药代动力学特性。同时,在体内的光学成像实验中,化合物5在给药后约2小时内迅速积聚在肿瘤组织中,这比基于卟啉的PS(通常需要48小时)要短。化合物5的体内摄取效率的显着改善将减少药物光间隔(DLI),并降低临床PDT应用中的潜在成本。

体内光驱动抗肿瘤效力(图7):尾静脉注射给HT29荷瘤裸鼠化合物5(100μL,2 mg kg-1)2小时后,进行光照射。结果表明,化合物5-PDT治疗组在第5天显示出显着的肿瘤抑制作用,导致肿瘤体积减小至其原始大小的约1/5。相比之下,在对照组(PBS组和单独的化合物5处理组)中未观察到肿瘤体积减小。此外,在第24天,接受化合物5-PDT的治疗组中,单次注射和照射后,肿瘤几乎消失不见,而对照组中的肿瘤在同一时期内却增加了约3倍。苏木精和曙红(H&E)染色评估小鼠体内器官系统毒性。结果表明,与对照相比,用化合物5结合光照射进行的治疗对各个器官的损害可忽略不计,表明化合物5作为潜在的光疗剂具有极好的安全性。总而言之,化合物5可作为光动力抗肿瘤治疗的有效和安全的PS。

吡啶被选择掺入到吩噻嗪鎓骨架中,以提高生物相容性和PDT功效。考虑到溶酶体的酸性,引入了与溶酶体的pKa值匹配的碱性氨基片段作为溶酶体定位锚。结果表明,设计并合成的化合物都具有较强的波长吸收,较高的细胞内ROS产生效率和选择性的溶酶体靶向能力。值得注意的是,化合物5对几种肿瘤细胞系表现出低的暗毒性和相当大的光毒性,并且能快速消除异种移植模型小鼠的固体瘤,而没有明显的副作用。

Qicai Xiao, et al. Pyridine-Embedded Phenothiazinium Dyes as Lysosome-Targeted Photosensitizersfor Highly Efficient Photodynamic Antitumor Therapy, J. Med. Chem, 2020. (DOI: 10.1021/acs.jmedchem.0c00280)