纳米凝胶递送的苯并咪唑-三唑杂化物可作为三阴性乳腺癌中拓扑异构酶和微管的强效多靶抑制剂

《Bioorganic Chemistry》：Nanogel delivered benzimidazole-triazole hybrids as potent multitarget inhibitors of topoisomerase and tubulin in triple-negative breast cancer

苯并咪唑-三唑杂化化合物通过纳米凝胶递送系统显著增强三阴性乳腺癌靶向毒性，抑制拓扑异构酶I/II和微管聚合，IC50达3.5 μM，选择性指数10，纳米凝胶利用EPR效应和pH响应提升疗效与安全性。

　　本研究围绕乳腺癌治疗中的药物递送系统展开，旨在解决传统化疗药物在选择性、多药耐受性和全身毒性方面的不足。研究人员设计并合成了三种新型的苯并咪唑-三唑杂化化合物（HSRA1、HSRA2 和 HSRA3），并将其封装在壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮（Cs/PVP）纳米凝胶中，以提高药物的靶向性和治疗效果。这些化合物通过分子杂化策略结合了苯并咪唑和三唑两个重要的药效团，从而增强了其在抗癌治疗中的潜力。研究结果表明，HSRA1 在多种机制上表现出优异的活性，使其成为一种具有前景的抗癌药物候选物。

乳腺癌作为全球女性中最常见的恶性肿瘤之一，其治疗仍然是医学领域的重要挑战。尽管在筛查和治疗手段上取得了重大进展，但乳腺癌的高发病率和死亡率依然令人担忧。传统化疗药物虽然在某些情况下有效，但它们往往缺乏足够的选择性，容易对正常细胞造成伤害，从而引发严重的全身毒性。此外，这些药物容易被快速清除，难以在肿瘤组织中保持足够的浓度，进一步限制了其临床应用。因此，开发新的药物递送系统，特别是能够提高药物在肿瘤部位的积累、减少非靶向效应并克服药物动力学障碍的系统，显得尤为迫切。

在这一背景下，纳米凝胶作为一种新兴的药物递送平台，因其独特的物理化学性质而受到广泛关注。纳米凝胶通常具有小尺寸（20–200 nm）、亲水性网络结构、高药物负载能力和可调控的降解特性，同时具备良好的生物相容性。这些特性使其成为靶向抗癌药物的理想载体。纳米凝胶能够响应多种生理或环境刺激，如pH值、温度、酶活性或氧化还原条件，从而实现对药物的控制释放。其独特的渗透能力，特别是通过增强渗透性和滞留效应（EPR效应），使其能够有效地将药物输送到肿瘤组织中。此外，纳米凝胶的表面可以进行功能化修饰，使其能够结合特定的靶点分子，如叶酸受体或HER2受体，从而进一步提高其靶向性。

为了提高纳米凝胶的抗癌性能，研究人员引入了异环结构，如苯并咪唑和三唑，这些结构在药物化学中具有重要的药效学意义。苯并咪唑衍生物因其能够与DNA结合以及抑制多种酶和受体而广泛用于抗癌治疗。其平面芳香结构有助于药物在DNA中的插入，并能够与参与癌细胞增殖的多种酶和受体相互作用。三唑环则因其高化学稳定性、氢键形成能力以及作为酰胺或酯键的生物等排体的潜力而备受关注。三唑环的引入不仅能够增强纳米凝胶的结构稳定性，还能改善其与细胞的相互作用，提高药物的细胞摄取效率。

在本研究中，HSRA1、HSRA2 和 HSRA3 作为苯并咪唑-三唑杂化化合物，分别采用了不同的结构设计。HSRA1 是一种双-N/S-三唑酰胺化合物，具有氟化芳香取代基。这种结构设计使其在亲水性和疏水性之间取得了良好的平衡，从而优化了药物与靶点的相互作用。HSRA2 则引入了甲基取代的核苷类似三唑，这种结构的变化增加了分子的亲水性，并通过立体效应调控了其与DNA的相互作用。HSRA3 则采用了一种简化结构，仅包含单个三唑酰胺骨架，用于评估最小取代和分子紧凑性对细胞摄取和控制释放的影响。通过这种分层设计，研究人员能够系统地比较三唑取代模式、立体效应和极性对化合物抗癌活性及纳米凝胶封装效率的影响。

在药物合成过程中，研究人员采用了一般的点击化学反应，如铜催化的叠氮-炔烃环加成（CuAAC）反应，来引入三唑结构。这些反应不仅能够高效地构建目标分子，还能确保其具有良好的代谢稳定性和靶向结合能力。此外，为了提高药物的水溶性和生物利用度，研究人员在分子的末端引入了亲水性基团，如羟基和羰基。这些基团有助于改善药物的溶解性，使其更容易被细胞吸收。同时，氟化芳香取代基的引入增强了药物的疏水性，使其能够更好地与细胞膜相互作用，提高膜渗透性。

将这些化合物封装在纳米凝胶中，不仅提高了其在体内的稳定性，还增强了其在肿瘤组织中的积累能力。纳米凝胶的结构使其能够在体内长时间循环，避免药物被快速清除，从而提高其在靶点处的浓度。同时，纳米凝胶的尺寸和形状使其能够通过EPR效应更有效地渗透到肿瘤组织中。这种递送方式还能够通过响应特定的生理或环境刺激，实现对药物的控制释放，从而减少对正常组织的毒性。

在抗癌机制方面，HSRA1 通过多种途径发挥其作用。首先，它能够诱导线粒体介导的细胞凋亡，通过膜去极化和激活caspase-9和caspase-3等凋亡相关蛋白，促使癌细胞死亡。其次，HSRA1 能够通过干扰微管蛋白的聚合，导致细胞周期阻滞，从而抑制癌细胞的增殖。微管蛋白是细胞分裂过程中至关重要的结构蛋白，其聚合受到抑制会导致细胞无法正常分裂。此外，HSRA1 还能够抑制拓扑异构酶I和II，这两种酶在DNA复制和修复过程中起着关键作用。通过抑制这些酶，HSRA1 可以干扰DNA的正常功能，导致DNA断裂和复制阻滞，从而诱导癌细胞死亡。最后，HSRA1 还能够生成活性氧（ROS），促进氧化应激，进一步激活凋亡信号通路。

在药效研究中，研究人员评估了HSRA1、HSRA2 和 HSRA3 在不同浓度下的细胞毒性。结果表明，HSRA1 在纳米凝胶形式下的半数抑制浓度（IC??）显著低于其游离形式。具体而言，HSRA1 在纳米凝胶中的IC??为3.5–6.9 μM，而游离药物的IC??为18.1–66.1 μM。这一显著的降低表明，纳米凝胶的封装显著提高了药物的抗癌活性。此外，HSRA1 还表现出良好的选择性，其选择性指数（SI）约为10，表明其对癌细胞的毒性远高于对正常细胞的毒性。相比之下，HSRA2 和 HSRA3 的活性较低，表明结构的变化对药物的抗癌效果有重要影响。

研究人员还通过分子对接技术，进一步探讨了HSRA1 与靶点蛋白的相互作用。结果显示，HSRA1 能够与拓扑异构酶I中的ASP533和LYS532残基形成关键的相互作用，从而增强其对靶点的结合能力。然而，HSRA1 未能与ARG364残基结合，这可能与其分子结构有关。这一发现表明，HSRA1 的结构设计使其能够与拓扑异构酶I形成稳定的结合，从而有效抑制其活性。此外，HSRA1 还能够与微管蛋白结合，干扰其正常功能，从而导致细胞周期阻滞和细胞凋亡。

为了进一步验证这些化合物的抗癌效果，研究人员还进行了细胞实验，评估了它们对MDA-MB-231三阴性乳腺癌细胞的毒性。结果表明，HSRA1 在纳米凝胶形式下对癌细胞的抑制效果显著优于其游离形式，且其对正常细胞的毒性较低，表明其具有良好的选择性。这种选择性对于减少治疗过程中的副作用至关重要。此外，HSRA1 还表现出良好的药物动力学特性，如较长的循环时间和较高的生物利用度，使其在体内具有更持久的治疗效果。

在实际应用中，纳米凝胶作为一种智能药物递送系统，具有诸多优势。首先，其小尺寸和亲水性网络结构使其能够有效穿过血脑屏障，提高药物在靶器官中的分布。其次，纳米凝胶的结构可以进行定制化设计，使其能够响应特定的生理或环境刺激，从而实现对药物的控制释放。这种特性使得纳米凝胶在靶向治疗中具有广泛的应用前景。此外，纳米凝胶的表面可以进行功能化修饰，使其能够结合特定的受体，提高其对肿瘤细胞的识别能力。

从药物开发的角度来看，HSRA1 纳米凝胶的研制不仅提高了药物的抗癌活性，还克服了传统药物在溶解性、细胞摄取和靶向性方面的不足。这种结构优化的药物递送系统有望成为乳腺癌治疗的新选择。同时，研究还表明，HSRA1 在多个靶点上表现出协同作用，这种多靶点抑制机制可能有助于克服癌细胞的多药耐受性，提高治疗效果。

在进一步的研究中，研究人员计划对HSRA1 纳米凝胶的体内药效进行评估，以验证其在动物模型中的抗癌效果。此外，他们还希望通过优化纳米凝胶的结构和表面修饰，提高其在不同肿瘤类型中的适用性。这些研究将为HSRA1 纳米凝胶的临床转化提供重要的数据支持。

总体而言，本研究通过结构优化和智能递送系统的结合，开发了一种具有优异抗癌活性和选择性的新型药物。HSRA1 纳米凝胶不仅提高了药物的靶向性和治疗效果，还减少了对正常细胞的毒性，为乳腺癌及其他癌症的治疗提供了新的思路和方法。这一成果展示了分子杂化策略和纳米技术在药物开发中的巨大潜力，为未来抗癌药物的研究和应用奠定了坚实的基础。