“亮哪照哪，照哪杀哪”——预靶向生物正交触发荧光开关引导可见光照射的条件性接力激活诊疗一体化前药

注：文末有本文科研思路分析

随着精准医学的发展，靶向药物可控递送到病灶部位发挥治疗作用以及成像引导治疗（imaging-guided therapy）成为临床迫切需求和研究热点。而对于临床一线抗肿瘤用药化疗药物，开发具有靶向性和时空可控释放的前药体系，也将扬长避短减少强效化疗药物的脱靶效应增强其对肿瘤细胞的选择性杀伤力。近年来，生物正交化学 (Bioorthogonal Chemistry) 和光响应为时空可控药物释放和在靶成像提供了强有力的手段和方法，生物正交前药可减少药物在正常组织中的副作用，并增强药物疗效。但是光活化前药具有一直开启的光活性导致暗毒性，而且如何选择性释放药物在病灶以及什么时候光照释放，一直未有解决方案。

近期，苏州大学龙亚秋教授（点击查看介绍）团队以四嗪（Tetrazine，Tz）和硼二吡咯亚甲基（BODIPY）的共缀物为生物正交载药骨架，以连接靶向基团的反式环辛烯（如Biotin-TCO）为预靶向生物正交触发剂，创制了“点击-光可控释放”的诊疗一体化生物正交前药体系 (图1)。该前药体系巧妙结合了生物正交前药的靶向精准递送特性与光笼基团的荧光开关、时空可控的光响应特性，既克服了传统光激活药物“始终开启”特性导致的暗毒性和光稳定性差的问题，也实现了“亮哪照哪，照哪杀哪”的在靶精准诊疗一体化功能。

研究团队设计以四嗪 (Tz) 作为BODIPY的荧光和光响应性双重屏蔽基团，所获得的Tz-BODIPY偶联的前药分子处于对光照不敏感的“关闭”状态。当前药分子中的四嗪基团与预靶向目标细胞表面的反式环辛烯相遇，发生逆电子需求Diels–Alder（IEDDA）反应，四嗪被破坏，BODIPY的荧光瞬时被激活，进而引导可见光的照射时间和照射区域而精准激活药物在靶释放。前药未激活时，其荧光被完全淬灭，且表现出低毒性和光稳定性，最大限度减少对细胞的伤害；而在靶细胞处被生物正交引发剂点击激活荧光和光活性，随即在可见光照射下，药物可以迅速释放，原位发挥强效的抗癌作用。

图1. 基于预靶向生物正交触发剂和荧光引导可见光照射的条件性接力激活诊疗前药平台。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

作为概念验证，作者将该条件性接力激活诊疗一体化前药体系应用于泛细胞毒性的喜树碱衍生物SN-38分子的前药设计。首先，在体外和细胞测试中，Tz-BODIPY与4-羟基反式环辛烯（4-OH TCO）的IEDDA反应，激活了BODIPY的绿色荧光（图2）；细胞中的BODIPY荧光指导随后的可见光照射，可见光照射后SN-38药物的释放率超过94%，对肿瘤细胞展现出了强效的杀伤效果。研究团队发现，在多种细胞系中，SN-38在四嗪-BODIPY前药体系中都能完成释放，产生与原药相当的细胞毒性（图3）。

图2. Tz-BODIPY-SN-38前药的激光共聚焦荧光成像（A549细胞）。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

图3. SN-38原药，Tz-BODIPY-SN-38前药1与反应组对不同肿瘤细胞株的细胞毒性。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

接着，研究团队进一步探讨了TCO分子在前药体系中的预靶向作用。通过在TCO分子中引入吗啉基团（morph-TCO），实现了Tz-BODIPY共缀前药的亚细胞器靶向，提高了前药在溶酶体中的定位，从而提高了肿瘤靶向治疗的效果；通过生物素与TCO的偶联，实现了Tz-BODIPY共缀前药对肿瘤细胞的精准靶向，并能够选择性激活前药，在光照射的引导下实现药物释放，达到高精度的肿瘤治疗效果（图4）。

图4. 药物组处理后的细胞成像（图4A）及细胞生长抑制实验（图4B-C）：Tz-BODIPY-SN-38前药1 + 4-OH TCO 或者 Tz-BODIPY-SN-38前药 1 + biotin-TCO. 图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这一创新前药平台不仅解决了光激活药物的暗毒性问题，还通过靶向基团和特定波长的光照实现了药物释放的时空精确控制。更为重要的是，这一前药体系具备可视化成像功能，通过生物正交反应控制荧光信号开关实现肿瘤细胞的成像与精准定位，还精准引导光照在靶释放药物，有望为开发精准诊疗药物提供新的思路和可药化诊疗一体化骨架。相较于传统的前药体系，该前药体系展现了显著的优势：

高选择性：通过生物正交反应和靶向基团（如生物素），可以实现药物在肿瘤部位的特异性释放，避免对正常组织的毒性影响。

时空控制：通过光响应性机制，可以精确控制药物的释放时间和空间位置，实现精准的肿瘤治疗。

低毒性和光稳定性：在未激活前，前药体系几乎没有毒性，能够有效减少药物的暗毒性。并具有良好的光稳定性，能够在治疗过程中保持较长的有效时间。

诊疗一体化：前药体系具备可视化成像功能，可实时监控药物的释放和治疗过程，并能实现成像引导治疗，引导可见光适时适地照射，在靶释放药物。

这种创新的点击-光控释放的诊疗一体化前药体系，不仅适用于肿瘤的精准诊断与治疗，也有望在其他领域如免疫治疗、基因治疗等方面展现出潜力。

该成果近期发表在 Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的通讯作者是苏州大学龙亚秋教授，第一作者是苏州大学的硕士研究生李施宏和博士生庞京。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Conditional Relay Activation of Theranostic Prodrug by Pretargeting Bioorthogonal Trigger and Fluorescence-guided Visible Light Irradiation

Shihong Li, Jing Pang, Yuanjun Sun, Yuchen Zhang, Ya-Qiu Long

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202422023

导师介绍

龙亚秋

https://www.x-mol.com/university/faculty/80287 

科研思路分析

Q：为何选择BODIPY作为前药体系的载体？

A：BODIPY是一个理想的荧光探针，具有高亮度、高光稳定性和良好的生物相容性。在前药体系中，BODIPY作为荧光报告分子，能够实现药物释放后的即时成像，极大地提高了治疗过程的可视化和精准性。通过与四嗪结合，BODIPY的荧光和光响应性得到了有效控制，通过生物正交反应调控荧光开关和光反应性，从而实现药物的精准激活和在靶成像。

Q：该前药体系的关键创新点是什么？

A：该前药体系的核心创新点在于利用四嗪-BODIPY结构，结合生物正交反应和光响应机制，通过点击-光可控释放，实现“亮哪照哪 照哪杀哪”；既保证了药物在病灶靶标的精确释放，又避免了暗毒性和非特异性副作用，还通过荧光开关引导可见光照射激活药物释放。而且，通过引入靶向分子（如生物素、吗啉基团），能够提高前药的靶向性和治疗效果，真正实现了高效、低毒、可视化的精准肿瘤治疗。