分享一篇发表在JACS上的文章，题目为“Pretargeted Mitochondrial Delivery of Organoarsenicals for Cancer Immunotherapy”。通讯作者是来自南京大学化学化工学院叶德举教授、上海药物所的柳红研究员以及复旦大学药学院的李英霞教授，他们的主要研究方向包括生物医学影像、诊疗探针与药物设计等。

线粒体是肿瘤细胞赖以维持能量代谢和存活的关键细胞器。与正常细胞相比，肿瘤细胞的线粒体常表现出代谢异常、ROS过量产生等特征，使线粒体成为精准肿瘤治疗的重要靶点。

在众多线粒体靶向药物中，三价砷化合物（As(III)）因其能够与含邻二硫基的蛋白（VDPs）形成稳定配合物，从而抑制关键酶活性，展现出独特的抗癌潜力。然而，临床应用中有机砷类药物普遍存在系统毒性强、肿瘤选择性差的问题，导致剂量受限和疗效不足。

近年来，预靶向递送（pretargeted delivery）概念逐渐兴起。其核心思想是将“靶向载体”与“药物负载”分离，通过两步给药实现更高的选择性和更低的毒副作用。基于此作者提出了一种 “酶触发自组装+生物正交反应”的两步预靶向线粒体递送策略，以实现有机砷在肿瘤线粒体内的精准富集。具体而言，他们设计了一种小分子探针 PTCOTPP，该分子在结构上整合了多个功能模块：1）通过磷酸保护基保证其在血液循环中的稳定性，并利用肿瘤中过度表达的碱性磷酸酶（ALP）进行去磷酸化；2）近红外荧光团（mCy）实现实时成像与监测；3）疏水二肽片段则进一步促进了去磷酸化后的分子聚集；4）而三苯基膦（TPP）阳离子则赋予颗粒线粒体靶向能力；5）此外，分子中还引入了张力环烯（TCO）基团，作为后续生物正交反应的反应位点。

作者设计的两步预靶向流程是，第一步：探针定位。研究者首先注射设计好的小分子探针 P‑TCO‑TPP。它在肿瘤中过度表达的ALP作用下去磷酸化，触发分子在肿瘤局部原位自组装成纳米颗粒（Cy‑TCO‑TPP NPs）。这些颗粒带有大量正电荷的 TPP 基团，能够高效进入细胞并最终定位到线粒体。与此同时，探针中的mCy荧光团被“点亮”，可用于实时成像和监测。第二步：药物捕获。在探针已经完成定位后，再注射带有四嗪（Tz）基团的有机砷化合物 Tz‑As。它能够与探针颗粒上的TCO基团发生快速高效的IEDDA反应。这样，Tz‑As被牢牢捕获并固定在线粒体内，使As(III)在亚细胞尺度上实现高效富集。随后，As(III)与线粒体蛋白中的邻二硫基（VDPs）结合，抑制关键酶如硫氧还蛋白还原酶（TrxR），导致线粒体功能崩溃并诱导细胞死亡。

作者系统地研究了ALP介导的P-TCO-TPP在生理条件下的去磷酸化和随后的自组装过程。HPLC结果显示P-TCO-TPP在ALP处理40 min后去磷酸化生成Cy-TCO-TPP。透射电子显微镜（TEM）成像证实了纳米颗粒具有均匀形态。当Cy-TCO-TPP NPs与Tz-As在37°C下孵育时，会形成DHP加合物（Cy-As-TPP）。

为了监测P-TCO-TPP在ALP阳性肿瘤细胞线粒体中的积累情况，作者通过NIR FL成像观察到孵育P-TCO-TPP的HeLa细胞的线粒体中荧光信号随时间增加，表明PTCOTPP成功激活和线粒体积累。最后作者将该技术应用到小鼠HeLa皮下瘤的治疗中，结果显示用P-TCO-TPP或Tz-As单独治疗的前 10 天内可以部分抑制肿瘤生长；然而，治疗停止后肿瘤会迅速复发，表明单药治疗的疗效有限。相比之下，预靶向P-TCO-TPP + Tz-As治疗完全停止了肿瘤生长，随后肿瘤逐渐消退。

总而言之，该工作以“ALP触发自组装＋IEDDA偶联”的模块化预靶向策略，实现线粒体尺度的有机砷精准给药。

本文作者：TZM

责任编辑：TZS

DOI：10.1021/jacs.5c12201

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c12201