掺铜的COF通过诱导细胞凋亡和铜死亡（cuproptosis）实现了生物正交的协同抗癌效应

《Bioorganic Chemistry》：Copper-doped COF triggered bioorthogonal synergistic cancer therapy through apoptosis and cuproptosis

铜掺杂空心共价有机多孔框架（HCOF@Cu）负载两种前药，在肿瘤微环境中通过CuAAC反应原位合成活性抗癌药物，同时铜离子诱导GSH耗尽和ROS生成，协同触发细胞凋亡和铁硫蛋白1（FDX1）耗竭及二氢硫解酶（DLAT）聚合，实现肿瘤治疗。该策略结合原位药物合成与铜介导代谢调控，为协同抗癌治疗提供新途径。

　　

欧俊赫|杨亮梅|张路文|江廷燕|乔嘉瑞|庞茂林

广西师范大学化学与药学学院，桂林541001，中国

摘要

铜催化的叠氮-炔烃环加成（CuAAC）反应因其高效性和选择性而在生物医学领域具有巨大潜力。然而，将其用于有效的肿瘤靶向治疗仍然具有挑战性。本文开发了一种基于铜掺杂的空穴共价有机框架（HCOF@Cu）的平台，然后在该平台上共负载两种惰性前药，这些前药在肿瘤微环境中发生原位 CuAAC反应，从而高效合成活性抗癌药物以抑制肿瘤生长。同时，嵌入的铜离子引发了一系列反应，消耗了过量的细胞内谷胱甘肽（GSH）并生成活性氧（ROS）。这种氧化还原紊乱导致铁氧还蛋白1（FDX1）的耗竭以及二氢脂酰胺-乙酰转移酶（DLAT）的寡聚化，最终引发细胞凋亡。该策略结合了细胞凋亡和铜死亡（cuproptosis）机制，为联合癌症治疗提供了新的途径。

引言

恶性肿瘤对全球健康构成了持续且严重的挑战，占据了全球公共卫生问题的很大一部分。其发病机制的复杂性和多因素性经常限制了传统治疗策略的有效性和安全性[1]，[2]。因此，近年来研究人员积极探索各种创新治疗策略以克服传统治疗的局限性。例如，一些研究通过使用纳米簇实现了高效的肿瘤抑制，从而实现了金属诱导的化学动力学治疗[3]，[4]。同时，基于铜的纳米疗法通过其独特的离子干扰效应进一步破坏了氧化还原平衡，显著抑制了宫颈癌细胞的增殖[5]。总体而言，这些研究突显了金属或金属离子调控的纳米平台在癌症治疗中的潜力[6]。

在此基础上，生物正交化学的发展进一步推动了肿瘤微环境响应性治疗策略的设计。特别是点击反应因其出色的选择性、效率和良好的生物相容性而受到广泛关注[7]。由过渡金属催化剂催化的点击反应尤为典型，尤其是CuAAC反应[8]。这种反应提高了治疗特异性，同时减轻了对健康组织的脱靶毒性，从而为肿瘤部位的靶向药物激活和精准治疗提供了可行的策略[9]，[10]，[11]。基于这些优势，开发出对细胞内GSH敏感并整合生物正交催化策略的癌症治疗药物已成为一种非常有前景的前沿选择[12]。

此外，共价有机框架（COFs）在生物催化方面具有独特优势，得益于其模块化设计和灵活的结构特性[13]。将金属活性位点引入COF框架是一种有效提高催化性能和扩展功能能力的策略[14]。与传统无机材料相比，尤其是在纳米尺度上，COFs具有多种优势，包括低密度、高度可调的结构、低毒性和大的比表面积，这突显了它们在生物医学应用中的潜力[15]，[16]，[17]。在我们之前的研究中，COFs也成功展示了作为药物递送系统的潜力[18]，[19]，[20]，[21]。

合理选择生物正交反应前体对于提高治疗选择性并最小化脱靶毒性至关重要[22]。通常，用作生物正交前体的叠氮或炔烃功能化小分子被设计为生物惰性或仅表现出微弱的生物活性，从而确保在激活前具有良好的安全性[23]。相比之下，通过CuAAC反应生成的三唑类化合物据报道表现出增强的生物活性，尤其是与芳香族或杂环药效团结合时[24]，[25]。结构相关的吡啶-三唑衍生物和三甲氧基苯基骨架在各种肿瘤模型中显示出明显的细胞毒性或抗癌效果，突显了它们作为活性治疗剂的潜力[26]，[27]。基于这些报告，本研究选择了两种具有低内在细胞毒性和适合生物正交反应的前体分子（A：5-叠氮-1,2,3-三甲氧基苯；B：2-乙炔基吡啶），而相应的原位生成产物（C：2-(1-(3,4,5-三甲氧基苯基)-1H-1,2,3-三唑-4-yl)吡啶）被设计为主要细胞毒性活性物质（图1a）。在此基础上，在癌细胞内实现前体的高效共递送及其可控的原位转化成为进一步提高治疗选择性和安全性的关键挑战。

在本研究中，设计了一种基于空穴共价有机框架的靶向药物递送平台（A?+?B@HCOF@Cu@FA）。该平台首先通过蚀刻方法制备HCOFs，然后通过铜离子与框架内的联吡啶基团配位生成HCOF@Cu载体[28]，[29]。随后，将两种前药A和B装载到载体中，并通过叶酸（FA）修饰赋予其针对肿瘤细胞的特异性。肿瘤细胞内化后，酸性细胞内环境触发铜离子和封装前药的释放。随后，释放的铜离子被GSH还原为Cu⁺，催化前药A和B之间的CuAAC反应。因此，细胞毒性分子直接在肿瘤细胞内生成，从而引发精确的细胞凋亡反应。同时，过量的Cu²⁺不断消耗细胞内GSH，并同时被还原为Cu⁺，逐渐在线粒体中积累。这导致关键蛋白（包括FDX1和DLAT）下调，以及DLAT寡聚化受阻，最终导致三羧酸（TCA）循环紊乱和线粒体结构损伤，从而激活铜死亡（cuproptosis）。利用细胞内点击反应介导的原位药物合成和诱导的细胞凋亡的双重协同机制，以及铜过载引发的铜死亡（cuproptosis），该平台显著增强了整体抗肿瘤效果，为COFs在癌症治疗中的应用提供了新的策略（图1b）。

部分摘要

合成与表征

为了构建用于肿瘤靶向药物递送的HCOF@Cu纳米载体（图1a和S1），首先通过TAPT和BP单体之间的溶剂热反应合成了结晶态的2,4,6-三(4-氨基苯基)-1,3,5-三嗪（TAPT）-2,2′-联吡啶-5,5′-二醛（BP）-COF。通过扫描电子显微镜（SEM）检查了COF材料的形态特征，发现其具有分散良好的球形结构，特征尺寸约为350纳米（图1b）。

结论

开发了一种合理设计的HCOF纳米平台（A?+?B@HCOF@Cu@FA），集成了靶向药物递送、细胞内生物正交激活和铜介导的代谢调节功能。HCOF@Cu作为共封装两种前药的坚固载体，FA修饰增强了针对癌细胞的特异性。在癌细胞内，GSH还原的Cu⁺催化了原位的CuAAC反应，生成活性药物，诱导细胞凋亡，而过量的Cu²⁺则触发了GSH

CRediT作者贡献声明

欧俊赫负责实验工作并准备了初稿。杨亮梅、张路文、江廷燕和乔嘉瑞参与了样品表征以及细胞和动物实验。庞茂林监督了整个研究并对手稿进行了关键修订。

伦理声明

所有涉及动物的程序均符合国际公认的实验室动物护理和使用标准，并获得了广西师范大学动物伦理委员会的伦理批准（批准号202601-001）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了广西研究与人才基地专项（GUIKE AD24010020）、中央政府引导地方科技发展基金项目（GUIKE ZY23055036）和国家自然科学基金（NSFC 22261006）的财政支持。