今天为大家分享一篇最近发表在JACS上的文章，Toward Drug Release Using Polymer Mechanochemical Disulfide Scission。这篇文章的通讯作者是德国亚琛莱布尼兹材料研究所的Robert Göstl和Andreas Herrmann教授。

传统药物治疗存在着许多缺陷，比如耐药性的积累、药物选择性低和毒性高等等。为了克服这些问题，可以通过引入依赖于外部物理化学刺激响应的元素来对药物活性进行控制。例如利用光照这种外部刺激的方法，就可以在特定位置将没有生物活性的药物前体转变为有活性的药物分子，从而得到更小的毒副作用和更好的治疗效果。但目前在光药理学中，仍然存在一些具有挑战性的问题，比如光穿透深度、光毒性、肿瘤选择性等等。相比之下，超声是一种更具有潜力的方法。目前，超声在医学领域已经有了广泛的应用，比如诊疗、成像等等。不仅如此，超声还被用于药物的时空控制释放。然而，目前超声的应用仍停留在宏观尺度上，缺乏对特定化学结构的分子进行选择性操作的能力。

聚合物力化学可以利用超声波将机械力传播到大分子不稳定键上，使其发生断裂或者重排，从而控制分子的转变。因此，作者设想在聚合物中心引入一个二硫键，通过超声使其断裂，形成巯基自由基，再从水中攫取氢形成巯基。生成的巯基再与含呋喃的DA加成物（药物前体）反应，经过Michael加成反应后再经过一步逆DA反应，分解出含呋喃基团的活性分子（如图1所示）。

图1.  超声引发二硫键力响应基团的级联反应

Michael加成反应通常是在小分子间进行，因此作者首先需要进行实验来评估端基为巯基的聚合物对DA加合物进行Michael加成反应的效率。如图2所示，作者使用含有呋喃基团的荧光化合物1作为荧光探针，来定量检测DA1与PEG-SH (M_n = 30 kDa)的反应进行程度。DA1与1的紫外光谱类似，但是它们的荧光光谱有很大区别。利用该性质，可以来检测在不同PEG-SH浓度下，从DA1分解出1的效率。对于DA1，作者发现在四倍当量的PEG-SH下可以释放95%的1，该化学计量比在后续的实验中也被采用。在对照实验中，作者还证明了不含巯基的反应体系不会造成DA1的分解。但是，作者也发现在含有人血清白蛋白 (HSA) 的溶液中，DA1也能释放出1，这也是目前该方法存在的问题之一。

图2.  利用PEG-SH对逆DA反应条件优化。a) 反应式及反应条件；b) 化合物1和DA1的紫外可见吸收光谱；c) 化合物1和DA1的荧光光谱；d) 不同PEG-SH浓度与DA1 (50 μM) 反应的荧光光谱；e) 化合物1的释放效率

接着，作者使用含有二硫键的聚合物进行了实验。实验在原位和非原位条件下分别进行，非原位实验指在聚合物溶液超声结束之后再加入DA1进行反应，原位实验指在超声前就将所有的反应物混合。由于超声可能会使DA1发生部分分解，还可能使1产生荧光漂白，因此在非原位实验中的定量更准确。在非原位实验中，超声1 h后，DA1释放出70%的化合物1。由此证明了力引发二硫键断裂来实现药物释放这一概念的可行性。

证明了概念的可行性之后，作者转向了药物小分子。作者先用含有呋喃基团的药物小分子速尿灵2 (如图1) 进行实验，当呋喃基团形成DA加合物之后，药物的活性会降低。作者利用核磁和超高效液相色谱-质谱 (UPLC-MS) 对产物进行了验证，结果显示，GSH、PEG-SH以及二硫键聚合物在超声作用下都能够很好的释放药物分子2。不仅如此，作者通过在Dox上引入呋喃基团，也能够实现Dox的可控释放 (如图3)，其中，化合物3以及DA3的活性较低。巯基与DA3反应释放得到3，而化合物3会在类似肿瘤的弱酸性条件下释放出Dox。在非原位实验中，作者估计约有70%的化合物3从DA3中释放出，证明了该药物释放体系的有效性。细胞毒性实验结果也验证了二硫键聚合物在超声作用下能有效促进DA3中有效药物成分的释放从而增强其细胞毒性。

图3.  利用含二硫键聚合物将Dox从化合物DA3中释放。a) 反应式；b、c) 超高效液相色谱UPLC；d) MTS细胞增殖实验

总之，在本文中，作者报道了一种利用超声来实现荧光分子和药物分子释放和活化的体系。作者利用以二硫键为中心的聚合物作为力响应化合物，在超声的作用下选择性断裂二硫键形成巯基，随即与呋喃的DA加合物发生Michael加成，再经过DA逆反应释放出活性分子。该方法具有广泛的通用性，但与临床相结合时，仍然有一些挑战性的问题需要解决。这是力化学控制药物分子释放的第一个例子，在未来会有较大的发展空间，有望在临床上得到应用。

DOI: 10.1021/jacs.0c07077

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07077