氟化策略调控分子及纳米系统与生物体系的相互作用：治疗货物与递送载体工程

《FEBS Open Bio》：Fluorination: A strategy to tune the interactions of molecules and nanoscale systems with biological matter

氟化（fluorination）已成为药物化学（medicinal chemistry）和纳米医学（nanomedicine）中的关键分子工程策略，能够精细调控治疗分子和药物递送系统（drug delivery systems, DDS）的物理化学与生物学性质。氟（fluorine）的独特特征，包括其较小的空间位阻（steric footprint）、高电负性（electronegativity）以及C–F键（C–F bond）的极高强度，可增强代谢稳定性（metabolic stability）、调节脂溶性（lipophilicity）和酸度（acidity），并改善药代动力学特征（pharmacokinetic profiles, PK）。除这些已确立的效应外，氟化还已成为控制纳米载体（nanocarriers）组装及其生物学行为的工具。氟化生物分子（biomolecules）、聚合物（polymers）、树枝状聚合物（dendrimers）和脂质基系统（lipid-based systems）常表现出改善的胶体稳定性（colloidal stability）、降低的非特异性蛋白吸附（nonspecific protein adsorption）、增强的细胞摄取（cellular uptake）以及高效的内体逃逸（endosomal escape），最终导致核酸（nucleic acids, NA）、蛋白质（proteins）及其他治疗货物（therapeutic cargoes）的优越胞内递送。研究人员在此总结了治疗货物和递送载体（delivery carriers）氟化的近期进展，强调不同氟化策略，包括单个氟原子（single fluorine atoms）、三氟甲基（trifluoromethyl, -CF₃）基团、线性全氟烷基链（linear perfluoroalkyl chains）和新兴短支化氟化基序（short branched fluorinated motifs），可如何用于优化药物递送性能。研究人员关注氟化分子结构、自组装（self-assembly）和支配生物活性的生物–纳米相互作用（bio–nano interactions）之间的关系。此外，还讨论了当前氟化方法的优势与局限。最后，研究人员强调需要更深入地机制理解氟化部分（fluorinated moieties）如何与蛋白质和生物膜（biological membranes）相互作用。先进物理化学技术，包括中子和X射线散射与反射测量（neutron and X-ray scattering and reflectometry），预期可为此类过程提供基础性见解，从而使更有效、更安全且环境可持续的氟化治疗剂（fluorinated therapeutics）和纳米药物（nanomedicines）的理性设计成为可能。

引言

氟化是调控有机化合物性质并改善其生物活性的重要策略。氟原子（F）的范德华半径约为1.47 ?，仅略大于氢原子（H）的1.20 ?，因此H→F替代通常不会显著改变分子结构；同时，C–F键是碳参与形成的最强键之一，可阻碍水解和酶促氧化，提高代谢稳定性（metabolic stability）。氟的高电负性可诱导键极化，影响化合物的脂溶性/亲水性。目前约20%的市售药物含氟，引入氟原子或三氟甲基（-CF₃）可提高脂溶性、化学稳定性、结合亲和力和药代动力学（PK）。氟化还可调节酸碱度，芳环上H→F可明显减慢氧化代谢。氟化链具有“氟效应（fluorous effect）”，倾向于发生氟–氟相互作用并隔离。除稳定药物外，氟化还可调控纳米组装体的生物–纳米相互作用（bio–nano interactions），促进核酸（NA）和蛋白质的胞质递送。氟化两亲物自组装体在生理和生物环境中具有更高胶体稳定性；氟化基因递送平台的细胞摄取和内体逃逸可分别提高3–10倍（聚合物）和30–50倍（脂质载体）。既往策略多集中于-CF₃或长线性全氟烷基链，后者存在累积和清除顾虑；近期短支化氟链被认为更生物相容、较少组织累积，并可提供磁等价¹⁹F用于¹⁹F-MRI和拉曼显微镜等成像。本综述从货物和载体双重视角考察氟化如何影响组装、稳定性、细胞摄取和胞内运输。

药物递送平台的氟化：货物与载体

有效胞内内化和胞质递送对治疗分子及纳米系统发挥活性至关重要。可修饰治疗剂（货物）或递送系统（载体），改善前者理化性质及后者胶体稳定性和递送性能。氟化策略包括单氟原子、-CF₃基团、氟烷链和支化氟化基序。氟化可产生两种主要效应：氟化化合物因“氟效应”倾向于隔离，自组装成具有氟化核心的纳米结构，在生物流体中胶体稳定性增强；当氟化基团暴露于环境时，则影响其与生物流体和细胞膜的相互作用。例如，纳米颗粒（NP）表面氟化可影响蛋白冠形成，提高抗蛋白结合能力。氟化还影响细胞膜相互作用：氟化化合物因低氟–水相互作用强吸附于细胞膜，有利细胞黏附，有益摄取；其与磷脂的有限混溶性可减少内吞时与细胞膜融合，避免长期滞留、膜破坏和细胞毒性。有限融合导致更高膜通透性，从而促进细胞内化和内体逃逸。

货物的氟化

小分子

氟在医学中应用已久：1954年氟氢可的松醋酸酯上市，1957年5-氟尿嘧啶用于癌症治疗，1980年代氟喹诺酮类被确立为抗菌药。近二十年FDA批准的含氟药物数量激增，目前约三分之一性能最佳药物含氟。C–F键具有高键强、极性和F原子小位阻等特性。引入高电负性F可改变分子电子分布，降低pK_a，提高生物利用度并降低细胞毒性。例如，甲氨蝶呤加氟可增加邻近羧基酸性，减少聚谷氨酰化，从而降低细胞毒性；3-哌啶基吲哚抗精神病药氟化可降低胺碱性，提高对5-HT_2A受体相对多巴胺D₂受体的亲和力，改善生物利用度和结合亲和力。氟化还与杂环框架结合，产生依诺沙星、法匹拉韦等生物相关分子。肿瘤学中，芳环上F和-CF₃（如Vizimpro、Tabrecta、Lumakras）可提高代谢稳定性、膜通透性和靶蛋白结合亲和力。C–F键高度极化，可通过偶极–偶极和偶极–电荷相互作用参与结合；F还可调分子构象，增加药物亲和力。环状或脂肪族系统引入孪位二氟基（如Tibsovo、Scemblix）可增强效力和代谢抵抗；Cabenuva、TPOXX、Xofluza分别获FDA批准用于HIV、天花和流感。

生物治疗剂

治疗剂还包括核酸（NA）和肽等生物制剂。NA可高效选择性沉默疾病相关基因，肽可靶向特定蛋白位点，用于抗感染和癌症；但二者均易在生物介质中降解且细胞内化差。氟化可通过介导与血清蛋白相互作用、改善细胞膜黏附、减少与细胞膜融合来增强胞质递送，并因化学稳定性增强和/或氟化基序诱导自组装而改善代谢稳定性和细胞内化。NA中引入单氟原子可改变结合亲和力并提高化学稳定性；肽中加入F或-CF₃可促进二级结构；较大氟化基团使大分子两亲性，促进自组装并被“氟效应”放大。2′-脱氧-2′-氟（2′-F）修饰广泛用于NA，可改善血清稳定性和转染效率。2′-F修饰siRNA血清半衰期大于24 h，非氟化siRNA在4 h内完全降解；2′-F修饰siRNA体外和体内效力约为未修饰对照两倍，相同剂量siRNA-脂质纳米颗粒（LNP）下可使小鼠FVII蛋白水平减半。siRNA还可采用交替2′-氟/2′-O-甲基全修饰，诱导A型螺旋结构，体内在多种组织中保留高100倍并促进mRNA沉默。2′-F还用于构建2′-脱氧-2′-氟阿拉伯核酸（FANA）。FANA/RNA杂交体可引发RNase H活性，PS-FANA-DNA 1–1 altimer比对应gapmer更强；FANA与2′-修饰RNA混合后效力与未修饰RNA相当，但核酸酶抗性和免疫反应更优。氟化也用于修饰球形核酸（SNA），即核心（脂质体、金属或聚合物）周围包裹密集NA壳的超分子纳米结构。线性和支化氟化基序均可优化SNA，因核心氟–氟相互作用促进自组装；氟化SNA增强细胞摄取，体外基因沉默水平显著提高，且氟化程度决定自组装性质和NA释放动力学。治疗肽方面，传统细胞穿膜肽（CPP）偶联或聚合物复合难以同时解决胞内外障碍。氟化可提高肽的热和化学稳定性，触发水溶液中稳定二级结构，增强对脂膜亲和力。F和氟化基团加于特定氨基酸可降低极性、增强疏水性，促进β-折叠。氟化肽具有¹⁹F-MRI信号，适合成像。肽水凝胶中加卤素可影响π–π相互作用，增强机械强度；七肽上F和-CF₃系统取代显示，氟含量增加部分与疏水性增加相关，并改善水凝胶机械性能，使凝胶更刚性，但氟化需调节。一般氟化基团引入导致更高储能模量G′；F原子数和芳环位置显著影响机械性能，仅一个苯丙氨酸带氟化基团的肽表现优秀G″，可能因氟化环与邻近非氟化环堆叠改善。体内凝胶稳定性实验显示氟化水凝胶比非氟化降解慢，适合控释。三氟甲基功能化抗菌肽可通过稳定二级结构改善抗菌性能。氟烷链尤其是-(CF₂)₅CF₃作为氟标签，使肽自组装成更均匀纳米结构，并保护其抗蛋白酶降解；氟烷基化促进肽胞质递送，优于CPP。共聚焦结果中，氟标签肽荧光强度高于未修饰、TAT修饰和R8修饰肽；TAT和R8修饰肽呈点状分布，提示内体/溶酶体截留，而氟烷基化肽在胞质中分布，提示成功内体逃逸。

载体的氟化

第二种策略是将未修饰货物包封于保护载体中，避免生物流体中酶降解。但载体仍面临短血循环、血清不稳定、快速清除和靶向差等问题。载体氟化被广泛认为可改善性能，归因于自组装氟化纳米结构的优越胶体稳定性，以及某些情况下对疏水药物的更高包封效率。传统纳米载体常存在药物泄漏和早释；引入F可从反应基团吸电子，降低水解速率，延长循环。当F暴露于表面时，其疏油疏水性质减少非特异性蛋白吸附，避免稳定蛋白冠和免疫识别，延长循环。氟化纳米结构优先吸附细胞膜以减少氟–水界面相互作用，增强内化；其疏脂性限制内吞时与细胞膜融合。氟化系统还可作为成像剂；当F磁等价时产生强¹⁹F-MRI信号。氟化已用于聚合物、树枝状聚合物和脂质等软纳米载体，通常用短线性全氟烷基链（从CF₂-CF₃到(CF₂)₆-CF₃）增强自组装、血清稳定性和膜相互作用，同时降低毒性。氟化部分位置取决于载体：树枝状聚合物中一般位于分支末端，聚合物中作为侧链暴露于NP表面以减少蛋白冠；脂质载体中氟化片段位于脂质头或尾，主要改善自组装和货物包封。长于六个-CF₂-单元的线性全氟烷基链存在环境持久性、生物累积和毒性顾虑。全氟叔丁基（PFtB）作为短支化替代，可减少生物累积和持久性，同时保留氟化性质；其高密度末端CF₃降低表面能、增强疏水性，并通过磁等价¹⁹F提供更强、裂分更少的信号，改善¹⁹F-MRI性能。

聚合物

聚合物纳米颗粒广泛用于小分子、基因和蛋白递送。氟化聚合物自1938年聚四氟乙烯（PTFE）发现以来受到关注，碳–碳和碳–氟键结合赋予高热稳定性和化学抗性。向聚合物NA载体添加氟烷链可获得优异自组装行为和生物流体稳定性。PEG-11嵌段用(CF₂)₇CF₃功能化后可自组装成稳定NP，体外体内低毒性且无长期累积。PEG用更长(CF₂)₁₂CF₃功能化可自组装成约12 nm胶束，并具有氧运输能力，可能作为氧穿梭克服肿瘤缺氧，提高电离辐射效率；无辐射时无细胞毒性，γ射线效应因胶束显著增加。这些纳米系统可放射性标记或包封PERFECTA以实现¹⁹F-MRI敏感成像。在壳聚糖和聚乙烯亚胺（PEI）等聚合物中引入氟化侧链，可因表面氟暴露减少蛋白冠，增强胞质递送。当聚合物PEG化并带氟化侧链时，PEG暴露于表面，侧氟烷链通过氟相互作用稳定核心。所得NP血清稳定性增强，在血清存在下仍高效；氟化纳米载体促进NP细胞摄取、胞内分布和NA内体逃逸，在高达30%胎牛血清（FBS）下实现优异沉默活性。相反，对照PEI复合物随血清增加失去沉默活性，30% FBS时仅3%沉默活性。较长氟烷链通常递送效力更高，但过长链导致强氟亲和性，预组装氟两亲物，降低货物包封效率，因此需优化链长。短支化氟化基序可作为长线性全氟烷基链替代，发展生物相容聚合物载体，并保留¹⁹F-MRI能力。含-(CF₃)₃（PFtB）聚合物已被合成并研究自组装和转染。对PEG等亲水聚合物，高氟化度才能诱导自组装；PFtB也用于聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和聚ε-己内酯（PCL）等疏水聚合物。PFtB-PLGA NP对含¹⁹F原子的疏水药物包封效率提高，并非直接氟–氟相互作用，而是疏水药物对系统亲氟环境亲和力增加。PFtB修饰PEG化PCL NP中氟–氟相互作用导致生物环境胶体稳定性更高。PFtB功能化纳米载体具有强¹⁹F-NMR信号，有望成为诊疗一体化递送载体。

树枝状聚合物

树枝状聚合物自1970年代末和1980年代初被用于药物和基因递送，其高度支化3D架构、明确尺寸和高密度末端官能团有利递送。但作为基因载体可能低转染效率并因高正电荷密度产生细胞毒性。在聚酰胺-胺（PAMAM）和聚丙烯亚胺（PPI）阳离子树枝状聚合物上引入氟烷可降低细胞毒性、改善胞质递送。不同代HFBA修饰PAMAM和PPI研究表明，最高转染效率需氟化程度、氟烷链长度和数量平衡。HFBA修饰G5 PAMAM载EGFP质粒时，转染效率远高于非氟化对照且细胞毒性低；在极低N/P比和含50% FBS培养基中仍高效，表明表面氟化基序暴露赋予优异血清抗性。为避免线性氟烷链累积问题，短支化氟化基团被用于修饰树枝状聚合物。氟化Janus型树枝状聚合物（JD）由两个不同极性域组成，可调自组装，并作为¹⁹F-MRI可追踪递送载体。带27个F原子（三个PFtB基团）的支化氟化部分用作不同代聚酯树突疏水部分，获得水介质自组装系统。第一代和第二代氟化JD自组装成随时间稳定NP；第三代类似物呈时间依赖行为，新鲜制剂约100 nm树枝状聚合物囊泡，48 h后逐渐转化为管状结构，且¹⁹F-NMR信号淬灭。第二代JD经胺基修饰得到可电离树枝状聚合物FJD2N。细胞毒性和转染研究表明，FJD2N可成功转染多种细胞，且FJD2N和FJD2N-siRNA dendriplexes均有¹⁹F-NMR信号，可作为诊疗递送载体。带三个PFtB的树枝状两亲物形成六角体（hexosomes），非氟化类似物形成囊泡；氟化增强载药能力，尤其氟化药物可整合入疏水部分。

脂质

近年脂质基纳米载体在研究和工业中显著增长，已获批用于癌症和COVID-19疫苗，可包封小分子、NA和抗体。但其需克服清除、靶细胞内化和货物内体逃逸等屏障。脂质尾功能化氟烷链可增强分子锥形几何，促进从层状相向六角II相转变，提高破坏内体膜效率。阳离子脂质复合物通常需无血清条件高效转染；表面正电荷导致负电血清蛋白非特异性吸附，使DNA解离并降低转染。带氟部分（(CF₂)₄或(CF₂)₆）靠近头基的阳离子脂质复合物在生物介质中稳定性改善，基因递送不受血清影响，但体外效率未显著优于氢化类似物；用(CF₂)₄和(CF₂)₈功能化则体内效率高于非氟化。氟烷链尤其(CF₂)₈作为脂质尾末端可增强体外体内胞质递送。氟化可电离脂质F-L319用于LNP不同mol%时，杂合配方比非氟化对照具有更高包封效率、细胞内化和转染效率；仅F-L319为可电离脂质的LNP信号最低，可能因mRNA包封效率差。近两年支化氟化部分也被引入LNP。DSPE-PEG脂质PEG末端加三氟甲基可使LNP表面疏水疏脂，限制血清蛋白相互作用；氟化PEG化脂质从0%增至1.5 mol%导致多细胞系eGFP表达更高，体内转染增强。可电离脂质也可用PFtB修饰，FC12和FC6分别带12和6碳尾。25 mol% FC12 LNP转染显著优于非氟化和25 mol% FC6 LNP；分子动力学模拟显示FC12增强脂膜构象有序，收紧脂质堆积，减少平均脂质面积，同时增加侧向迁移；FC6导致更无序排列，促进水渗透，可能损害LNP完整性。不同量FC12 LNP均优于非氟化，且转染、细胞摄取和内体逃逸与FC12百分比相关。但FC12 DNA结合能力低于非氟化基准，高%FC12导致差包封效率，25% FC12最实用经济。由于可电离脂质位于LNP内部，¹⁹F-MRI信号与LNP解组装和NA胞内释放强相关，可无创监测LNP定位和实时NA释放。

结论与展望

氟化已成为增强药物递送系统和生物治疗剂性能的强大策略，可改善稳定性、膜相互作用和递送效率。氟化部分暴露于生物环境可减少蛋白相互作用，同时增强对脂膜亲和力以最小化水–氟相互作用；位于脂质包膜内的氟化部分则因“氟效应”隔离，更可能破坏内体脂膜。但氟化系统设计需仔细优化亲水性、亲脂性和氟化程度平衡，以最大化生物性能并避免不必要结构复杂。虽然氟化化合物环境可持续性日益受关注，但需区分氟化药物和佐剂与工业PFAS。氟化药物和佐剂对总氟化学负担贡献有限，尽量减少氟含量或采用更可持续氟化基序如支化氟链，可改善可持续性，同时提供¹⁹F-MRI和拉曼成像。本综述主要信息是：尽管氟化持续改善治疗剂性能，氟化部分与蛋白质、细胞膜和内体膜等生物系统有利相互作用的分子机制仍部分未明。更深入机制理解对合理设计下一代氟化治疗剂和药物递送平台至关重要。解决该知识空白需整合高空间和结构分辨率的先进物理化学表征技术。中子和X射线散射可研究蛋白及其他生物大分子相互作用；中子和X射线反射测量与明确模型膜系统结合，可提供氟化纳米材料与生物膜界面过程细节。此类机制研究最终将推动更有效、更安全且环境负责的氟化策略用于生物医学应用。