用于自噬活性监测和光动力治疗的响应自噬的光敏剂

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Autophagy-responsive photosensitizers for autophagic activity monitoring and photodynamic therapy

自噬激活型光敏剂DTD和DDTD通过pH响应实现饥饿疗法与光动力疗法的协同作用，在酸性自噬体环境中激活PDT并生成ROS，有效抑制3D肿瘤球生长。

　　

作者：Yerim Lee、Hyunsun Jeong、Hui Bian、Yaqian Li、JaeHong Park、Hai Xu、Juyoung Yoon

韩国首尔Ewha女子大学化学与纳米科学系，邮编03760

摘要

饥饿疗法是一种基于剥夺肿瘤细胞关键营养物质的癌症治疗选择方法。然而，其疗效常常受到自噬的制约，自噬是一种在营养压力下被激活的生存机制。为了解决这个问题，我们开发了两种pH响应型、可被自噬激活的光敏剂DTD和DDTD，用于联合饥饿疗法和光动力疗法（PDT）。这些化合物在酸性、自噬环境中表现出从蓝光到红光的荧光转变，并增强了单线态氧的生成。在正常条件下，DTD和DDTD定位于脂滴中，产生的活性氧（ROS）很少。当诱导自噬时，它们会转移到溶酶体中，溶酶体的酸性环境会激活它们的PDT功能。共聚焦成像实验证实了这种转变，在正常和饥饿条件下分别与脂滴和溶酶体标记物强烈共定位。活性氧（ROS）的成像进一步证实了这种pH依赖性的激活，而这种激活可以被氯喹或N-乙酰半胱氨酸抑制。在3D肿瘤球模型中，DDTD在饥饿条件下表现出增强的光动力效果，逐渐破坏了肿瘤的完整性。这些结果表明DTD和DDTD是实时监测自噬和选择性癌症治疗的有效工具，为通过精确的光动力疗法最大化代谢干预的益处提供了有前景的策略。

引言

尽管化疗在对抗癌症中起着至关重要的作用，但其应用经常受到不良副作用的限制。在某些情况下，这些副作用可能较轻且可控，但也可能导致严重的、危及生命的并发症[1]、[2]、[3]、[4]。然而，饥饿疗法作为一种新兴的抗肿瘤策略，旨在剥夺癌细胞所需的葡萄糖、谷氨酰胺或氧气等营养物质[5]、[6]。这种营养剥夺会扰乱细胞代谢，导致能量耗尽，并引发程序性细胞死亡，从而实现治疗效果[7]、[8]。与传统治疗方法相比，饥饿疗法具有更高的选择性和更少的副作用，特别适合对化疗或放疗有抗性的肿瘤，或者那些具有显著异质性的肿瘤[9]。然而，在饥饿条件下，癌细胞可以激活自噬作为保护机制。这一过程会降解细胞内成分并恢复代谢平衡，从而限制了饥饿疗法的效果[10]、[11]。因此，抑制这种保护性自噬机制或将饥饿疗法与其他治疗方法结合使用可以增强其治疗效果[12]、[13]、[14]。 目前，使用氯喹（CQ）和羟氯喹（HCQ）等自噬抑制剂通过碱化溶酶体来阻断自噬，从而增强饥饿疗法的效果[15]、[16]。然而，这些抑制剂缺乏选择性，并可能扩散到正常组织中，从而干扰正常的溶酶体功能。为了解决这些限制，代谢干预工具（尤其是葡萄糖氧化酶（GOx）已被广泛用于创建类似饥饿的微环境[17]、[18]。当与纳米载体输送系统结合使用时，这些方法可以确保靶向和高效的治疗效果。此外，饥饿疗法可以与其他治疗方法（包括光动力疗法（PDT）、化疗或免疫疗法）结合使用，以实现协同的抗肿瘤效果[19]、[20]。在这些方法中，PDT依靠光敏剂在光照下生成活性氧（ROS），从而引起氧化应激并损害肿瘤细胞[21]、[22]、[23]。然而，PDT的治疗效果常常受到肿瘤微环境缺氧性质的限制。由于饥饿疗法可以调节肿瘤代谢，它可能为PDT提供更有利的环境，使两者结合特别有前景。同时，可靠地检测细胞自噬具有重要意义。尽管已经开发了许多基于荧光的策略，但结合大斯托克斯位移和比率测量特性的自噬成像荧光探针仍然很少[24]、[25]。 到目前为止，已被自噬激活的光敏剂已被用于基于饥饿的联合疗法[26]。在这项研究中，我们开发了两种可被自噬激活的光敏剂DTD和DDTD，用于联合饥饿疗法。这两种化合物在酸性条件下都表现出供体-受体（D–A）大共轭结构，能够在荧光（FL）和PDT效果之间进行可控切换（图1）[27]、[28]。在正常癌细胞中，DTD和DDTD选择性地靶向脂滴（蓝光荧光），产生的ROS很少。当自噬被激活时，部分分子会从脂滴转移到溶酶体（红光荧光），在那里化合物被酸化并产生红光荧光，随后触发PDT。值得注意的是，在3D肿瘤球模型中展示了DDTD在饥饿条件下的光动力性能，突显了其显著的治疗潜力。最终，这种光敏剂实现了用于自噬检测的比率荧光成像，同时通过结合自噬调节和光疗实现了癌症治疗[29]。

仪器和材料

¹核磁共振（NMR）和¹³C NMR光谱分别使用Bruker 300 MHz光谱仪在300 MHz和75 MHz下获得，样品溶于氘代氯仿中，四甲基硅烷（δ = 0.0）作为内标。质谱（MS）数据使用Waters ZMD光谱仪在电喷雾离子化（ESI）模式下或Autoflex Speed MALDI-TOF/TOF光谱仪（Bruker Daltonics）获得。稀释溶液的UV–vis吸收光谱在Jasco V-770上记录。

光物理性质

为了评估DTD和DDTD的溶剂依赖性光学行为，我们在不同极性的溶剂中研究了它们的光物理性质。对于DTD，在大多数溶剂中观察到的主要吸收峰位于380 nm左右，但在高极性溶剂（如二甲基亚砜（DMSO）、去离子水（DW）和甲醇）中，吸收峰向红光方向移动并变宽（图S7a）。DDTD也表现出类似的趋势（图S7b）。同时，还测量了不同浓度下的UV–vis吸收。

结论

总之，DTD和DDTD对pH变化表现出优异的荧光响应，并具有监测细胞自噬的强大潜力。更重要的是，这些化合物通过结合饥饿疗法和光动力疗法能够有效消除肿瘤细胞[42]、[43]。这项研究为设计双重响应性试剂提供了宝贵的见解，突出了将代谢干预与光动力策略结合的治疗潜力。

CRediT作者贡献声明

Yerim Lee：撰写原始草稿、进行正式分析、数据管理。 JaeHong Park：撰写原始草稿、开发软件、开展研究。 Yaqian Li：撰写、审阅和编辑、验证结果。 Juyoung Yoon：撰写、审阅和编辑、提供监督、争取资金支持、构思研究方向。 Hai Xu：撰写原始草稿、开展研究、构思研究方向。 Hui Bian：撰写、审阅和编辑、验证结果。 Hyunsun Jeong：撰写原始草稿、开发软件、管理数据。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

J. Yoon感谢韩国国家研究基金会（NRF）资助的Nano & Material Technology Development Program（项目编号：RS-2024-00407093）。J. Park感谢韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（项目编号：RS-2024-00397807）。我们感谢韩国基础科学研究所（Ochang）在HRMS测量方面提供的帮助。NMR光谱使用300 MHz NMR光谱仪进行。

Yerim Lee于2024年从Ewha女子大学获得学士学位。此后，她作为硕士生加入了Juyoung Yoon教授的团队。她的研究兴趣集中在光敏剂的设计与开发及其在光动力疗法、光热疗法和声动力疗法中的应用。