今天為大家分享一篇最近發(fā)表在JACS上的文章，Toward Drug Release Using Polymer Mechanochemical Disulfide Scission。這篇文章的通訊作者是德國(guó)亞琛萊布尼茲材料研究所的Robert Go?stl和Andreas Herrmann教授。
傳統(tǒng)藥物治療存在著許多缺陷，比如耐藥性的積累、藥物選擇性低和毒性高等等。為了克服這些問題，可以通過(guò)引入依賴于外部物理化學(xué)刺激響應(yīng)的元素來(lái)對(duì)藥物活性進(jìn)行控制。例如利用光照這種外部刺激的方法，就可以在特定位置將沒有生物活性的藥物前體轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘乃幬锓肿樱瑥亩玫礁〉亩靖弊饔煤透玫闹委熜Ч?。但目前在光藥理學(xué)中，仍然存在一些具有挑戰(zhàn)性的問題，比如光穿透深度、光毒性、腫瘤選擇性等等。相比之下，超聲是一種更具有潛力的方法。目前，超聲在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，比如診療、成像等等。不僅如此，超聲還被用于藥物的時(shí)空控制釋放。然而，目前超聲的應(yīng)用仍停留在宏觀尺度上，缺乏對(duì)特定化學(xué)結(jié)構(gòu)的分子進(jìn)行選擇性操作的能力。
聚合物力化學(xué)可以利用超聲波將機(jī)械力傳播到大分子不穩(wěn)定鍵上，使其發(fā)生斷裂或者重排，從而控制分子的轉(zhuǎn)變。因此，作者設(shè)想在聚合物中心引入一個(gè)二硫鍵，通過(guò)超聲使其斷裂，形成巰基自由基，再?gòu)乃芯鹑湫纬蓭€基。生成的巰基再與含呋喃的DA加成物（藥物前體）反應(yīng)，經(jīng)過(guò)Michael加成反應(yīng)后再經(jīng)過(guò)一步逆DA反應(yīng)，分解出含呋喃基團(tuán)的活性分子（如圖1所示）。
圖1. 超聲引發(fā)二硫鍵力響應(yīng)基團(tuán)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)
Michael加成反應(yīng)通常是在小分子間進(jìn)行，因此作者首先需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估端基為巰基的聚合物對(duì)DA加合物進(jìn)行Michael加成反應(yīng)的效率。如圖2所示，作者使用含有呋喃基團(tuán)的熒光化合物1作為熒光探針，來(lái)定量檢測(cè)DA1與PEG-SH (Mn = 30 kDa)的反應(yīng)進(jìn)行程度。DA1與1的紫外光譜類似，但是它們的熒光光譜有很大區(qū)別。利用該性質(zhì)，可以來(lái)檢測(cè)在不同PEG-SH濃度下，從DA1分解出1的效率。對(duì)于DA1，作者發(fā)現(xiàn)在四倍當(dāng)量的PEG-SH下可以釋放95%的1，該化學(xué)計(jì)量比在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中也被采用。在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，作者還證明了不含巰基的反應(yīng)體系不會(huì)造成DA1的分解。但是，作者也發(fā)現(xiàn)在含有人血清白蛋白 (HSA) 的溶液中，DA1也能釋放出1，這也是目前該方法存在的問題之一。
圖2. 利用PEG-SH對(duì)逆DA反應(yīng)條件優(yōu)化。a) 反應(yīng)式及反應(yīng)條件；b) 化合物1和DA1的紫外可見吸收光譜；c) 化合物1和DA1的熒光光譜；d) 不同PEG-SH濃度與DA1 (50 μM) 反應(yīng)的熒光光譜；e) 化合物1的釋放效率
接著，作者使用含有二硫鍵的聚合物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在原位和非原位條件下分別進(jìn)行，非原位實(shí)驗(yàn)指在聚合物溶液超聲結(jié)束之后再加入DA1進(jìn)行反應(yīng)，原位實(shí)驗(yàn)指在超聲前就將所有的反應(yīng)物混合。由于超聲可能會(huì)使DA1發(fā)生部分分解，還可能使1產(chǎn)生熒光漂白，因此在非原位實(shí)驗(yàn)中的定量更準(zhǔn)確。在非原位實(shí)驗(yàn)中，超聲1 h后，DA1釋放出70%的化合物1。由此證明了力引發(fā)二硫鍵斷裂來(lái)實(shí)現(xiàn)藥物釋放這一概念的可行性。
證明了概念的可行性之后，作者轉(zhuǎn)向了藥物小分子。作者先用含有呋喃基團(tuán)的藥物小分子速尿靈2 (如圖1) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)呋喃基團(tuán)形成DA加合物之后，藥物的活性會(huì)降低。作者利用核磁和超高效液相色譜-質(zhì)譜 (UPLC-MS) 對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示，GSH、PEG-SH以及二硫鍵聚合物在超聲作用下都能夠很好的釋放藥物分子2。不僅如此，作者通過(guò)在Dox上引入呋喃基團(tuán)，也能夠?qū)崿F(xiàn)Dox的可控釋放 (如圖3)，其中，化合物3以及DA3的活性較低。巰基與DA3反應(yīng)釋放得到3，而化合物3會(huì)在類似腫瘤的弱酸性條件下釋放出Dox。在非原位實(shí)驗(yàn)中，作者估計(jì)約有70%的化合物3從DA3中釋放出，證明了該藥物釋放體系的有效性。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了二硫鍵聚合物在超聲作用下能有效促進(jìn)DA3中有效藥物成分的釋放從而增強(qiáng)其細(xì)胞毒性。
圖3. 利用含二硫鍵聚合物將Dox從化合物DA3中釋放。a) 反應(yīng)式；b、c) 超高效液相色譜UPLC；d) MTS細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)
總之，在本文中，作者報(bào)道了一種利用超聲來(lái)實(shí)現(xiàn)熒光分子和藥物分子釋放和活化的體系。作者利用以二硫鍵為中心的聚合物作為力響應(yīng)化合物，在超聲的作用下選擇性斷裂二硫鍵形成巰基，隨即與呋喃的DA加合物發(fā)生Michael加成，再經(jīng)過(guò)DA逆反應(yīng)釋放出活性分子。該方法具有廣泛的通用性，但與臨床相結(jié)合時(shí)，仍然有一些挑戰(zhàn)性的問題需要解決。這是力化學(xué)控制藥物分子釋放的第一個(gè)例子，在未來(lái)會(huì)有較大的發(fā)展空間，有望在臨床上得到應(yīng)用。
DOI: 10.1021/jacs.0c07077
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07077
