内容提要
光动力疗法是一种抗癌疗法，需要光敏剂的照射来诱导局部细胞死亡。目前的近红外有机光敏剂是由大型和非模块化结构构建的，无法调整以提高安全性和最小化脱靶毒性。本工作描述了一个新的化学平台，以产生酶激活的近红外光敏剂。我们优化了硒桥式半青碱支架，使其包括笼化组和生物相容性部分，并生成了组织蛋白酶触发的光敏剂，用于有效消融人胶质母细胞瘤细胞。此外，我们证明了酶激活的硒桥半菁氨酸是有效的光敏剂，用于体内微肿瘤的安全消融，为靶向抗癌光动力治疗剂的化学设计开辟了新的途径。
在不同的合成o桥接半菁的策略中，在基本条件下用间苯二酚取代Cy7氯的亲核方法简单，并且具有良好的收率。因此，我们采用这种方法合成了硒桥接的半菁氨酸5a - 5e，利用关键中间体硒醇3作为亲核实体。化合物3是由硒化物化合物2还原得到的，硒化物化合物2是用市售的3-碘异唑通过一锅铜(II)氧化物催化交叉偶联合成的。使用硒醇3作为含硒构建块的一个重要优点是，它使合成与广泛的菁氨酸结构兼容，从而加速了化学上多样化的硒桥半菁氨酸的产生。在优化了硒桥接半菁的合成策略后，我们检查了它们的光学和光动力学性质，并将它们与o桥接和桥接的对接(即化合物13和14)进行了比较。硒桥接化合物5b表现出适合近红外PDT激发的特性，其最大吸光度波长约为750 nm(即分别比化合物13和14长约60 nm和25 nm)，证实了在其他荧光染料中观察到的O原子被Se原子取代后的色。我们现化合物5b的单线态氧(1O2)生成速率明显高于化合物13和14。这些结果是由于重原子效应的影响，证实了含酚半菁作为可活化PDT剂的适用性。由于硒桥接的半青碱比其他桥接原子表现出更好的光动力学作用，我们评估了吲哚基团的取代是否会影响它们的光学行为。如图所示，所有化合物5a - 5e的激发波长都在750 nm左右，消光系数相似。我们还测量了它们的1O2生成速率，发现它们都表现为近红外I PS，它们的光敏功率没有显著差异，这表明吲哚基团位置5的取代对硒桥半菁的光敏行为并不重要。
我们继续设计可选择性与人组织蛋白酶B (hCatB)反应的靶向抗癌PS。组织蛋白酶B是一种半胱氨酸蛋白酶，在包括脑癌细胞在内的许多癌细胞中过度表达，并已被用于几种抗癌治疗。据我们所知，很少有近红外有机PS可以在组织蛋白酶活性高的组织微环境中进行选择性降解。我们设想笼化的PS和hCatB之间的反应将切割肽底物，然后进行分子内环化，同时释放未笼化的PS。首先，我们使用HPLC-MS分析评估了所有酶激活化合物15-18对hCatB的反应性。我们观察到hCatB在水介质中与化合物17和18的反应速度比与化合物15和16的反应速度快得多，这可能是由于后者的水溶性有限。鉴于这些结果，我们检测了化合物17和18在癌细胞中的光毒性。在这些实验中，我们使用了人类U87胶质母细胞瘤细胞，这是一种具有组织蛋白酶活性的侵袭性脑癌细胞。我们将U87细胞与化合物18一起孵育，并观察到只有当细胞与PS孵育并随后用NIR I光照射时，才会出现高水平的细胞毒性。相反，化合物17的光毒性可以忽略不计，这可能是由于其带负电荷的结构和阻碍细胞通透性。我们证实了化合物18对hCatB对肿瘤中发现的其他人类蛋白酶(如caspase、颗粒酶、基质金属蛋白酶、中性粒细胞弹性酶)的选择性，并证明了其杀死其他癌细胞的能力。
我们评估了它是否可以在体内安全地消融来自U87胶质母细胞瘤细胞的微肿瘤。本实验采用斑马鱼模型，将U87细胞注射到受精后48 h (hpf)的斑马鱼胚胎卵黄囊中，形成直径约1.2万μm2的微肿瘤。为了获得体内癌细胞死亡的无创读数，我们采用了转基因的U87- nlcrimson细胞系，其中活细胞Crimson报告细胞的荧光发射与U87细胞的活力成正比。将荧光微肿瘤移植到斑马鱼幼体中，我们在近红外I光(720 nm)或化合物18单独照射后，以及用化合物18处理后再进行近红外I照射后，对肿瘤肿块进行监测。值得注意的是，我们观察到PDT治疗后肿瘤体积显著减少，一些斑马鱼缺乏荧光U87细胞。相比之下，仅用光或化合物18治疗的组观察到微小差异，突出了我们的靶向抗癌PDT策略的有效性。此外，我们在相同的实验条件下，使用不可切割的硒桥联半花青碱类似物(化合物19，和化学合成和表征细节的支持信息)以及ICG进行了额外的体内实验。值得注意的是，在这些实验中，我们没有观察到肿瘤质量的减少(对于化合物19)或肿瘤质量的轻微减少(对于ICG)，这突出了化合物18在nir介导的抗癌PDT中的体内活性增强。我们检查了sebridge半花青素PS和NIR I照明相结合的PDT治疗的体内安全性和潜在副作用。具体来说，我们没有观察到用化合物18处理和近红外I光照射的斑马鱼的形态或心跳有任何异常(支持信息中的电影S1)。此外，我们比较了未经处理和双重处理(即化合物18和NIR I光)的斑马鱼组的行为，发现它们的游泳行为和对环境刺激的反应没有差异(支持信息中的电影S2)。总之，这些结果突出了化合物18用于靶向近红外PDT的良好安全性，并断言靶向catb活化硒桥接半菁用于临床前癌症模型中微肿瘤的体内消融。
总结
我们设计了一个基于硒桥联半菁胺的可扩展合成生物相容性和可活化的NIR I PS的化学平台。我们证明了对硒桥半菁中苯酚部分的化学修饰导致其光动力学活性显著降低，并可用于制备靶向PDT剂，用于癌细胞的酶促降解。我们通过合成一些具有选择性反应性的第一批NIR I有机PS来证明该平台的多功能性，这些PS可以对抗人类组织蛋白酶B(癌细胞中的相关生物标志物)。在一小部分生物相容性PS中，化合物18在人U87胶质母细胞瘤细胞中表现出最高的组织蛋白酶和光依赖性光毒性。此外，我们使用化合物18在无毒NIR I光照射后安全地消融斑马鱼临床前癌症模型中的U87微肿瘤。总之，该平台为靶向PDT的新型酶激活近红外有机PS的分子设计提供了一条有希望的途径。
参考文献
Enzyme-Activatable Near-Infrared Hemicyanines as Modular Scaffolds for in vivo Photodynamic Therapy Zhiming Cheng, Sam Benson, Lorena Mendive-Tapia, Eleni Nestoros, Charles Lochenie, Deborah Seah, Kai Yee Chang, Yi Feng, and Marc Vendrell*，Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202404587 doi.org/10.1002/anie.202404587
