基于親脂性陽離子線粒體靶向化合物研究進(jìn)展

2020-03-16 10:22:44*

合成材料老化與應(yīng)用 2020年1期

（1 十堰市人民醫(yī)院湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬人民醫(yī)院藥學(xué)部，湖北十堰 442000；2 湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬東風(fēng)醫(yī)院血液風(fēng)濕科，湖北十堰 442008）

線粒體是細(xì)胞生命活動的能量供應(yīng)工廠，是多種生理生化過程的發(fā)生場所，同時，大多數(shù)脊椎動物中，細(xì)胞凋亡主要由線粒體調(diào)節(jié)。因此線粒體功能變化，直接影響一系列疾?。ㄈ纾盒哪X血管疾病、糖尿病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等）的產(chǎn)生和發(fā)展，尤其與腫瘤凋亡和轉(zhuǎn)移、關(guān)系密切[1-2]。近年來，人們開始關(guān)注組織、細(xì)胞乃至細(xì)胞器相關(guān)的精確靶向治療，小分子靶向抗腫瘤藥物已成為抗腫瘤藥物的研發(fā)主流，線粒體靶向策略引起了相關(guān)研究者高度重視。目前將藥物靶向線粒體的策略和方法主要有三種：離域化的脂溶性陽離子向?qū)?delocalized lipophilic cation, DLC)、線粒體靶向的肽鏈片段(mitochondrial targeting sequence, MTS)以及囊泡載體(vesicle)。本文將著重對離域化的親脂性陽離子（DLC）介導(dǎo)的靶向小分子化合物研究進(jìn)行綜述。

1 親脂性陽離子（DLC）線粒體跨膜導(dǎo)入機(jī)制

線粒體間隙帶有大量正電荷，其基質(zhì)中帶有大量負(fù)電荷，從而形成線粒體內(nèi)膜的跨膜電位(mitochondrial transmembrane potential, MTP)。MTP內(nèi)負(fù)外正，在機(jī)體正常細(xì)胞中，其值為-130mV～150mV，當(dāng)親脂性陽離子在線粒體富集到線粒體膜內(nèi)外電位平衡的時候，則會在線粒體內(nèi)聚集[3]。腫瘤細(xì)胞的線粒體膜電位往往高于正常細(xì)胞[4]，因此，將親脂性陽離子與小分子通過共價鍵直接連接，可僅僅依賴于靜電吸附，不通過復(fù)雜的機(jī)制穿透線粒體膜，隨后，釋放出的生物活性分子直接在線粒體中發(fā)揮作用，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡或凋亡。

親脂性陽離子載體主要包括三苯基膦（TPP）、其衍生物如十八烷基三苯基膦（STPP）、三乙胺鹽、地喹氯胺（Dequalinium chloride，DQA）、消旋－四苯卟吩等[5]。TPP是其中最典型的、應(yīng)用最廣泛的，TPP末端活潑基團(tuán)能與藥物連接且保持藥物活性，結(jié)構(gòu)整體由親水性帶電基團(tuán)和疏水性基團(tuán)構(gòu)成，三個苯環(huán)π電子云的離域現(xiàn)象使整個分子帶正電荷[6]，由此可在線粒體膜電位的驅(qū)動下，攜帶小分子藥物靶向線粒體內(nèi)部。DQA是一種季銨鹽[7]，結(jié)構(gòu)中有兩個對稱的正電荷中心，由長脂肪鏈連接，能夠穿透脂質(zhì)雙分子層，能滿足化合物不同位點(diǎn)的多種結(jié)合方式。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 親脂性陽離子TPP和DQA的化學(xué)結(jié)構(gòu)Figure 1 The structure of compounds TPP and DQA

近年來研究證實(shí)，TPP與DQA作為應(yīng)用廣泛的DLC，用于修飾活性小分子化合物成功地實(shí)現(xiàn)線粒體靶向，在一定程度上應(yīng)用于抗腫瘤藥物靶向于線粒體抑制細(xì)胞增殖、抗氧化藥物靶向治療線粒體氧化損傷以及設(shè)計出一系列靶向線粒體的熒光探針等，以期達(dá)到最佳的治療效果及較低的給藥劑量。當(dāng)然，若DLC在線粒體中大量聚集，其正電荷可能會導(dǎo)致膜電位的喪失以及影響呼吸鏈電子傳遞[7]，在使用此項(xiàng)策略時也應(yīng)關(guān)注細(xì)胞毒性。

2 以TPP為載體的線粒體靶向化合物

首次使用TPP的線粒體靶向偶聯(lián)物的研究報道于1995年，Burns J.等[8]設(shè)計合成了14C標(biāo)記的硫醇探針，由三苯基溴化磷（TPP）將其靶向?qū)刖€粒體，用來標(biāo)記蛋白硫醇，從而對線粒體氧化應(yīng)激過程進(jìn)行探索。1999年，新西蘭達(dá)尼丁Otago大學(xué)Smith課題組率先合成靶向線粒體的抗氧劑MitoVite E[9]，并證明了將抗氧劑靶向轉(zhuǎn)移進(jìn)入線粒體，可有效阻止線粒體氧化損傷。隨即，輔酶Q10和TPP 的綴合物MitoQ10[10]、SOD輔基模擬物與TPP的綴合物MitoSOD等[11]相繼被研發(fā)并證明了其可對組織的氧化應(yīng)激損傷進(jìn)行選擇性保護(hù)。2017年，張宇睿選天然抗氧化劑迷迭香酸為先導(dǎo)化合物，經(jīng)TPP修飾得到線粒體靶向迷迭香酸Mito-RA[12]；對NADPH活性基團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，設(shè)計合成線粒體靶向二氫吡啶類化合物Mito-N[13]。研究發(fā)現(xiàn)迷迭香酸經(jīng)TPP修飾后，對ROS清除效果和輻射防護(hù)效果都得到提高；Mito-N類化合物能通過清除輻照產(chǎn)生的ROS而有效保護(hù)CHO-K1或Hela細(xì)胞的遺傳物質(zhì)完整性?；衔锝Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 以TPP為載體的靶向抗氧劑Figure 2 The structure of targeted antioxidants with TPP

線粒體靶向的抗腫瘤藥物分子設(shè)計，最直接的方法是通過酰胺鍵、醚鍵、碳磷鍵等將TPP與活性小分子連接。2002年，F(xiàn)antin等[14]將TPP通過吡啶鎓離子與F16分子合成具有線粒體靶向性和內(nèi)在熒光的化合物F16-TPP，在線粒體大量聚集，且顯示出了對多種腫瘤細(xì)胞的殺傷能力。選擇現(xiàn)有的抗腫瘤藥物進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，也是靶向藥物設(shè)計的重要思路，浙江大學(xué)韓旻教授課題組將多柔比星與 TPP 化學(xué)連接, 顯示了良好的線粒體靶向作用, 并且通過線粒體途徑誘導(dǎo)了腫瘤細(xì)胞的凋亡, 克服腫瘤細(xì)胞耐藥性[15]。2018年Lee J H等[16]基于三苯基膦-香豆素探針（TPP-C）的線粒體靶向藥物制劑，制備了由TPP和多柔比星（DOX）修飾的制劑（TPP-C-DOX）。通過線粒體靶向配體TPP介導(dǎo)的線粒體跨膜過程，TPP-C-DOX 被內(nèi)化于線粒體中。隨后，DOX從線粒體中的TPP-C- DOX 釋放，作用于線粒體DNA（mtDNA），導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞線粒體功能障礙，最終死亡。青蒿素作為抗瘧藥，近年來對其抗腫瘤作用的研究引起了相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注，2016年，新加坡國立大學(xué)Zhang Chongjing課題組先合成ART-TPP[17]，將ART引導(dǎo)到線粒體中，從而提高ART的活化水平并靶向更多的蛋白質(zhì)靶標(biāo)。進(jìn)一步合成ART-TPP-Alk，通過點(diǎn)擊化學(xué)方法連接熒光分子和生物素標(biāo)簽，由于線粒體是細(xì)胞的強(qiáng)大動力，更多線粒體蛋白被ART-TPP-Alk共價修飾。2017年，Noh等[18]報道了一種線粒體靶向光動力治療藥物（MitDt），其結(jié)構(gòu)主體為鹵素原子與吲哚環(huán)結(jié)合的鹵化物，能良好的被腫瘤細(xì)胞攝取并進(jìn)入線粒體，吸收光能從而將氧轉(zhuǎn)化為自由基形態(tài)導(dǎo)致細(xì)胞程序性死亡。以上化合物結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 以TPP為載體的靶向抗腫瘤劑Figure 3 The structure of targeted antitumor agents with TPP

綜上所述，TPP修飾的小分子化合物能成功實(shí)現(xiàn)線粒體靶向，其應(yīng)用廣泛，對抗氧劑、抗腫瘤劑的結(jié)構(gòu)改造提供了可靠的思路。并且運(yùn)用靶向線粒體技術(shù)，人們設(shè)計并合成了許多特異性的熒光探針，可用于探索研究藥物作用靶點(diǎn)或檢測線粒體內(nèi)相關(guān)指標(biāo)。此外, 納米載體 (脂質(zhì)體、樹枝狀大分子等) 與 TPP化學(xué)鍵合, 可將包載的小分子藥物靶向到線粒體，逐漸成為了研究的熱點(diǎn)問題。

3 以DQA為載體的線粒體靶向化合物

地喹氯胺（DQA）亦可直接與小分子連接，發(fā)揮線粒體靶向作用。2015年，宋彥峰等[19]將阿霉素與地喹氯胺連接合成DQA-DOX，細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)顯示：與游離DOX相比，DQA-DOX對A549細(xì)胞的毒性明顯比游離DOX低，但DQA-DOX對耐DOX細(xì)胞MCF-7/ADR細(xì)胞的毒性比游離DOX顯著增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 化合物DQA-DOX的分子結(jié)構(gòu)Figure 4 The structure of the compound DQA-DOX

但更多的研究表明，DQA形成的囊泡狀聚集體DQAsomes，其具備較高的穩(wěn)定性，不易沉淀，彼此融合，可聚集在溶液中，仍可穿透磷脂雙分子層進(jìn)入線粒體，成為可包裹小分子的靶向載體[19-20]。2005年，Chen SM等[21]制備了基于DQA somes修飾的紫杉醇脂質(zhì)體，將裸鼠接種人結(jié)腸癌COLO- 205細(xì)胞以產(chǎn)生腫瘤，再將藥物作用于各組小鼠，結(jié)果顯示紫杉醇組對腫瘤無明顯抑制，而DQAsomes紫杉醇脂質(zhì)體組對腫瘤抑制率達(dá)50%。Zhang等[22]將抗性調(diào)節(jié)劑奎納克林與柔紅霉素同時摻入線粒體靶向的DQA脂質(zhì)體中，研究結(jié)果顯示：體外抑制MCF-7干細(xì)胞和治療小鼠復(fù)發(fā)腫瘤方面療效明顯增強(qiáng)，可用于治療和預(yù)防由MCF-7癌癥干細(xì)胞引起的乳腺癌復(fù)發(fā)。DQA somes對于藥物的包裹作用，有利于保持藥物原有性狀，同時也可滿足多數(shù)無法較好被吸收的藥物，能根據(jù)具體需要改變脂質(zhì)體系統(tǒng)理化性質(zhì)。Li N等[23]在對白藜蘆醇的研究中，合成了DQA-PEG2000-DSPE脂質(zhì)體用以包裹白藜蘆醇，將其遞送至線粒體，檢測其對非小細(xì)胞肺癌A549細(xì)胞或非小細(xì)胞肺癌A549耐藥細(xì)胞抑制能力，結(jié)果顯示白藜蘆醇脂質(zhì)體在耐藥性和非耐藥性腫瘤細(xì)胞中均能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，并隨之釋放細(xì)胞色素C，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

多數(shù)研究表明，DQA somes不僅可特異性將藥物分子運(yùn)送到線粒體中，而且能夠保護(hù)分子免于酶的降解，增加細(xì)胞對藥物的攝取。例如在與DNA組裝成的脂質(zhì)體的研究中，DQA somes與模擬胞漿膜的脂質(zhì)作用時，不能釋放DNA，但與模擬線粒體膜且富含心磷脂的脂質(zhì)作用時，則可以釋放出DNA[24]。這種策略能更好的使藥物特異性作用于靶點(diǎn)，而降低治療過程中的毒副作用。

4 其他DLC介導(dǎo)的線粒體靶向化合物

近年來對于腫瘤的治療中，光動力療法（PDT）成為一種頗具前景的治療手段，而選擇合適的光敏劑是推進(jìn)PDT廣泛應(yīng)用的重要因素。目前有許多關(guān)于含有陽離子部分的光敏劑的報道，如銨和吡啶鎓，并且發(fā)現(xiàn)一些光敏劑具有線粒體靶向能力。2017年Taba等[25]設(shè)計了新型的原卟啉IX衍生物PPIX-1和PPIX-2，分別束縛了4個和8個胺部分，實(shí)現(xiàn)線粒體靶向聚集，發(fā)現(xiàn)這些分子在660nm激光照射后表現(xiàn)出優(yōu)異的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率，并且具有非常好的水溶性，較外源性PPIX有更強(qiáng)的體外PDT功效。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 化合物PPIX-1和PPIX-2的分子結(jié)構(gòu)Figure 5 The structure of the compounds PPIX-1 and PPIX-2

四苯基卟啉衍生物也是廣泛用于PDT的系列化合物，Hammerer等在對此系列化合物進(jìn)行研究中發(fā)現(xiàn)，它們表現(xiàn)出高單線態(tài)氧量子產(chǎn)率以及高雙光子吸收區(qū)，但細(xì)胞內(nèi)化非常差。其課題組于2018年報道了卟啉-三苯胺雜化系列的新光敏劑，其引入基團(tuán)乙烯基吡啶鎓三苯胺（TP）帶有陽離子電荷，合成新的衍生物PTEG(TP)2，使水溶性大大增強(qiáng)的同時，具有線粒體靶向性[26]。新系列化合物的理化性質(zhì)改進(jìn)與其特定的線粒體定位能力相結(jié)合，顯著提高了雙光子激活光動力的治療效率。

2018年，Mingxing Hu等[27]提出了一種新的可溶性線粒體靶向性烷化劑HMX-1，在細(xì)胞水平上具有優(yōu)異的線粒體靶向能力，其在低氧條件下偶氮鍵被選擇性地還原，苯胺氮芥（核DNA烷化劑）被釋放，同時伴隨熒光顯著增加，證明前藥的活化。在四種人癌細(xì)胞系（惡性黑素瘤A375，乳腺癌MDA-MB-231，肺癌A549和前列腺癌DU145）和正常人結(jié)腸中進(jìn)行MTT測定，以評估HMX-1的抗癌活性，常氧條件下HMX-1的細(xì)胞毒性高于缺氧條件，且在常氧和缺氧條件下對NCM-460分別比A375細(xì)胞的IC50值高出344%和228%。HMX-1體內(nèi)活化機(jī)制如圖6所示。

圖6 化合物HMX-1的體內(nèi)活化機(jī)制Figure 6 The in vivo activation mechanism of compound HMX-1

5 結(jié)語

線粒體靶向制劑提高腫瘤治療精準(zhǔn)性，降低對正常細(xì)胞的毒副作用，在目前的研究中，取得了許多積極的成果。本課題組亦將選擇黃芩苷和茶多酚等作為先導(dǎo)化合物，選擇性在結(jié)構(gòu)中羥基結(jié)合位點(diǎn)接入TPP基團(tuán)，使其具有線粒體靶向性。對目標(biāo)化合物進(jìn)行體外的抗氧化活性驗(yàn)證檢測，再與腫瘤細(xì)胞共孵育，對細(xì)胞內(nèi)活性氧水平進(jìn)行檢測以及研究腫瘤細(xì)胞的增殖、遷移和凋亡狀態(tài)。除此以外，利用親脂性陽離子線粒體靶向性，設(shè)計熒光探針，對線粒體活動相關(guān)指標(biāo)或藥物作用靶點(diǎn)探尋也是目前研究中可應(yīng)用的重點(diǎn)方法之一。