油酸修饰使酞菁光敏剂能够逃脱溶酶体束缚，从而有效治疗膀胱癌

《Bioorganic & Medicinal Chemistry》：Oleic acid modification enables lysosomal escape of phthalocyanine photosensitizer for effective bladder cancer treatment

　　

崔傲云|刘豪文|王凯|魏少华|邓永明|周琳

南京师范大学化学与材料科学学院，江苏省生物功能材料重点实验室，江苏省生物医学功能材料协同创新中心，中国南京210023

摘要

溶酶体隔离过程在酸性水解酶的驱动下会降解并使治疗药物失活，从而严重降低其疗效。虽然不饱和脂肪酸（UFA）修饰能够赋予纳米药物强大的溶酶体逃逸能力，但其在小分子药物设计中的应用仍大多未被充分探索。利用UFA侧链的独特结构特性，我们设计并合成了三种唑啉酚酞（ZnPc）衍生物，它们具有不同的连接架构：ZnPc-OA（无连接剂）、ZnPc-PEG₂-OA（PEG连接剂）和ZnPc-丁基-OA（烷基链连接剂）。关键的是，无连接剂的ZnPc-OA表现出优异的溶酶体逃逸能力和强大的光动力细胞毒性，其半数最大抑制浓度（IC₅₀）为0.176 μM。在原位非肌肉侵入性膀胱癌（NMIBC）小鼠模型中，ZnPc-OA介导的光动力疗法（PDT）显示出与一线化疗药物丝裂霉素C（MMC）相当的治疗效果。总之，这项工作提出了一种有效的结构工程策略，以克服小分子的溶酶体隔离问题，为膀胱癌的治疗提供了创新性的方法。

引言

溶酶体逃逸是指治疗药物成功从溶酶体转运到细胞质中的过程。1., 2., 3. 由于溶酶体内含有多种酸性水解酶，如果不能及时逃逸，药物会在这种恶劣的酶环境中被降解并失去活性。4., 5., 6., 7. 因此，在药物递送领域，寻找有效的溶酶体逃逸策略至关重要。目前促进纳米药物或分子药物溶酶体逃逸的方法包括通过质子海绵效应改变溶酶体渗透压、设计体积膨胀的纳米颗粒、利用苯硼酸修饰与溶酶体膜和热休克蛋白特异性结合以及利用脂质体介导的膜融合。8., 9., 10., 11., 12., 13., 14. 然而，纳米药物与小分子药物之间存在根本差异，不同药物在物理化学性质、分子结构和作用机制方面也有显著差异。因此，一种通用的逃逸策略无法满足多种药物递送的需求。^15 探索新的溶酶体逃逸机制不仅能够克服现有局限，还能提供定制化的递送方案，成为现有技术平台的重要补充。

UFA修饰因其高效进入细胞和易于插入脂质双层的特性，已成为优化药物递送系统的关键策略。^16, 17 2024年，Mudhakir及其同事进一步研究表明，UFA的锥形分子结构和不饱和双键使其能够深入嵌入脂质双层，显著增加膜的无序性和流动性，从而促进纳米载体的溶酶体内逃逸。^18 尽管取得了这些进展，但目前尚不清楚UFA修饰是否能同样赋予小分子药物溶酶体逃逸能力。此外，在将功能基团与活性药物成分结合时，连接剂在调节药物稳定性和治疗效果方面起着关键作用，它可以影响分子的灵活性、空间位阻以及亲水-疏水平衡。^19, 20 因此，阐明UFA修饰在小分子溶酶体逃逸中的效果，并深入研究连接剂化学对这一过程的具体影响具有重要的科学意义。

基于这一理念，本研究将UFA基团引入光敏剂ZnPc中，设计并合成了三种具有不同连接剂的衍生物：ZnPc-OA（无连接剂）、ZnPc-PEG₂-OA（PEG链）和ZnPc-丁基-OA（烷基链）。实验结果表明，虽然UFA侧链修饰能有效引导唑啉酚酞定向进入溶酶体，但连接剂的性质对其后续的溶酶体逃逸效率有显著影响。尤其是无连接剂的ZnPc-OA表现出出色的溶酶体逃逸能力。在原位NMIBC小鼠模型中，ZnPc-OA的光动力治疗效果与一线化疗药物丝裂霉素C相当。通过采用UFA侧链修饰策略，本研究成功实现了小分子的溶酶体逃逸，为克服溶酶体隔离问题提供了新的结构设计方法，并为膀胱癌的治疗提供了创新途径。

章节摘录

材料与方法

所有生物实验细节均见支持信息。ZnPc衍生物以10 μM的储备溶液形式制备在二甲基亚砜（DMSO）中，并用培养基稀释至所有生物检测所需的浓度。

光物理和光化学性质

三种合成的ZnPc衍生物的化学结构经过系统设计并进行了比较（图1A）。在Dulbecco改良的Eagle培养基（DMEM）中，所有化合物的最大Q带吸收位于680 nm（图1B）。由于这些ZnPc衍生物具有疏水性，它们在水中无法溶解，但会在水中形成稳定且分散的纳米级聚集体。动态光散射（DLS）分析显示……

结论

总之，本研究通过利用UFA修饰策略成功克服了小分子药物被溶酶体隔离的关键问题。通过系统研究三种合理设计和合成的ZnPc衍生物（ZnPc-OA、ZnPc-PEG₂-OA和ZnPc-丁基-OA），我们明确证明了连接剂的架构对溶酶体逃逸效率具有决定性影响。特别是无连接剂的ZnPc-OA表现出优异的……

CRediT作者贡献声明

崔傲云：撰写初稿、可视化、方法学设计、数据分析。刘豪文：方法学设计、数据分析。王凯：方法学设计、实验研究。魏少华：撰写与编辑、实验研究、数据分析、概念构建。邓永明：撰写与编辑、方法学设计、资金申请、概念构建。周琳：撰写与编辑、撰写初稿、指导、方法学设计、资金申请、概念构建。

在准备本研究的过程中，作者使用了Gemini工具来提高文本的可读性和语言表达。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：22277055和22177100）以及江苏省高等教育机构重点学术发展计划（PAPD）和江苏省生物医学功能材料协同创新中心的财政支持。