缺氧是肿瘤微环境的重要特征，在化疗前药的设计中已经成为重要的靶点，以降低传统化疗药物的副作用。但是，由于肿瘤间缺氧水平分布不均，缺氧激活前药的释放效率通常受到缺氧程度的限制，从而导致治疗效果不理想。另一方面，光动力疗法（PDT）作为一种很有前途的癌症治疗方法一直受到广泛关注，其作用机制涉及消耗细胞内的氧气产生有毒的单线态氧来杀死细胞，从而加剧细胞缺氧程度。因此，在一定程度上，光动力疗法可用于促进缺氧活化前药的释放，并且化疗和PDT结合可以有效提高治疗的效率。基于这种设计理念，作者将缺氧激活的前药与近红外光敏剂相结合设计并合成了一种线粒体靶向分子前药CS-P。图 1. 分子前药的结构及作用示意图（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）在该设计策略中，作者选择偶氮基团用于连接化疗药物和光敏剂，其既可以作为荧光淬灭剂又是抗癌药物的灭活剂。在肿瘤的缺氧微环境中，偶氮键可以被还原以释放出治疗药物和光敏剂，并且伴随近红外荧光和光声信号的变化，可以通过双模成像准确监测化疗药物的释放。重要的是，释放的光敏剂在660 nm激光照射下可以通过PDT过程消耗肿瘤内氧气，增加肿瘤缺氧程度，从而进一步诱导更大程度的抗癌药物释放。图 2. 分子前药的合成（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）首先，作者在体外研究了CS-P释放药物的可行性以及相应的光学变化。在加入连二亚硫酸钠（Na2S2O4，偶氮还原酶的化学模拟物）后，由于偶氮键的断裂，前药分子在680 nm处的吸收强度显著提升，并且716 nm处的荧光得到了14倍的增强。接着，为了验证CS-P对缺氧的特异性响应，作者测试了CS-P对其他分析物（如阳离子、生物活性分子和肿瘤过表达酶）的反应。结果显示，CS-P仅在Na2S2O4存在下表现出显著的荧光增强，表明了其在治疗缺氧肿瘤中的高选择性和潜在应用。此外，在含有偶氮还原酶的大鼠肝微粒体体系中也观察到了同样的光学变化，证明了在缺氧条件下，前药可被偶氮还原酶还原以释放化疗药物，而且可以通过双模成像准确跟踪药物释放。图 3. 分子前药的光物理性质（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）接着，作者通过共聚焦荧光成像在细胞水平验证了分子前药在缺氧环境中释放药物的能力，并且对激活前后的光动力能力进行了评估，证明了缺氧反应后的前药在光照下可以产生1O2。体内荧光成像和光声成像实验中，在静脉注射后7~8 h后，荧光和光声信号达到最大值，表明该时间点前药反应达到饱和，化疗药物和光敏剂的释放达到最大值，进而可以进行光照以加剧肿瘤的缺氧，同时促进药物更快更有效的释放。后续实验中，光照组肿瘤部位的荧光强度在初始降低后呈上升趋势，从而证明PDT促进了药物的释放。图 4. 分子前药的体内荧光和光声成像（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）此外，该前药分子可以很好地靶向线粒体并通过破坏线粒体诱导细胞死亡。治疗结果表明，前药分子的治疗效果随着PDT过程的加入而显著提高，实现了显著提升的药物释放效率和协同治疗效果，并且对正常组织无明显毒性，表明其在癌症治疗中的潜在应用。图 5. 肿瘤治疗效果（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）总结：湖南大学袁林、张晓兵团队报道了一种通过光动力疗法提高分子化疗前药释放效率的设计策略。实验结果表明，该分子前药可以在缺氧肿瘤中被选择性激活，同时释放化疗药物和光敏剂，并且通过荧光和光声成像可以实时监控释放过程。重要的是，在光照条件下，CS-P的活化可以进一步增强，释放出更多的化疗药物和光敏剂。此外，CS-P可以靶向线粒体并通过破坏线粒体来诱导细胞死亡。体内实验结果表明，PDT辅助药物释放策略对肿瘤生长有较好的抑制作用。该工作为不同治疗方法的有效组合提供了新途径，并为增强缺氧激活前药的释放提供了新思路。Yuan, J., Zhou, Q., Xu, S., Zuo, Q., Li, W., Zhang, X., Ren, T., Yuan, L. and Zhang, X. (2022), Enhancing the Release Efficiency of Molecular Chemotherapeutic Prodrug by Photodynamic Therapy. Angew. Chem. Int. Ed.. https://doi.org/10.1002/anie.202206169
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