诺氟沙星-BODIPY诊疗探针：用于拓扑异构酶II靶向的3D动态活体肿瘤成像及ROS介导的选择性抗肿瘤治疗

《Journal of Molecular Structure》：Norfloxacin-BODIPY Theranostic Probes for Topoisomerase II-Targeted 3D Dynamic Live Tumor Imaging and ROS-Mediated Selective Antitumor Therapy

　　

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  制备并阐明了NC-BDP单晶的特性。
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  这些探针能在肿瘤细胞中引发强烈的活性氧（ROS）产生和细胞凋亡。
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  这些探针具有优异的3D动态成像性能，可持续600秒。
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  这些探针对Topo IIα具有显著的结合亲和力。

引言

恶性肿瘤的精确诊断和靶向治疗是当代生物医学研究的重点[[1], [2], [3]]。荧光成像技术以其高灵敏度、快速响应以及在活细胞中进行实时可视化能力[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]]，已成为肿瘤细胞识别、细胞器追踪和生物过程监测不可或缺的工具[[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。大多数传统的荧光探针仅具有单一的成像功能，而临床使用的抗癌药物缺乏内在荧光性，因此无法直接观察药物在肿瘤病变处的积累情况。因此，结合荧光成像和抗癌活性的诊疗用探针成为荧光材料与药物化学交叉领域的研究前沿。

氟喹诺酮类抗生素诺氟沙星（NRFX）已被证明对多种癌细胞系具有强烈的抑制增殖作用，使其成为进一步开发的有潜力药效基团[17,18]。其机制在于NRFX选择性地结合在肿瘤细胞中过度表达的拓扑异构酶II（Topo II）上，从而引发异常的DNA断裂和不可逆的基因组损伤，最终导致细胞凋亡。相比之下，正常细胞由于Topo II表达水平较低，受影响较小，这使得NRFX具有优异的肿瘤选择性积聚特性。尽管如此，NRFX仍存在一些局限性：C-3羧基和哌嗪环同时存在导致分子极性过高、亲脂性差且膜通透性低；同时缺乏内在荧光性，无法观察细胞内药物分布。对氟喹诺酮类药物的结构-活性关系研究表明，哌嗪环可以作为荧光团偶联的天然位点，将高亲脂性荧光团与其偶联可以有效调节其两性特性和脂水分配能力，从而提高跨膜效率[[19], [20], [21]]。这种策略使得能够合理地将针对Topo II的药效基团与成像荧光团结合，克服了荧光不可见的固有缺陷。

硼二吡咯甲烯（BODIPY）染料是一类研究最为广泛的有机荧光团，具有高荧光量子产率、出色的光稳定性和热稳定性，以及较大的摩尔消光系数[[22], [23], [24], [25]]。这些特性使其广泛应用于细胞荧光成像、生物分子传感和体内动态跟踪[[26], [27], [28]]。由于其核心结构的易于化学修饰，BODIPY成为构建生物成像探针的理想骨架，可以通过亲核取代、共价偶联和环化/消除反应轻松引入各种取代基，从而精确调控其光物理行为。通过哌嗪环将BODIPY与NRFX偶联，可生成具有扩展π-共轭系统的杂交探针。这种偶联物继承了BODIPY荧光团的实时成像能力，同时NRFX的药效基团赋予其识别和治疗效果。这种荧光团-药效基团的整合策略巧妙地满足了精准癌症诊疗中对多功能荧光探针日益增长的需求[29,30]。

为了解决这一瓶颈，设计了一种以诺氟沙星骨架为核心的结构修饰策略，开发出一种新型的扩展π-共轭荧光诊疗探针NC-BDP。该探针通过将BODIPY-Cl与NRFX的哌嗪连接基团偶联而成，其中BODIPY核心负责产生荧光信号，而NRFX药效基团则具备针对Topo II的识别能力，实现对肿瘤细胞内荧光积累的可视化，并具有内在的抗肿瘤活性。系统地分析了该探针的分子结构、光物理性质、脂水分配系数以及在不同有机溶剂和pH缓冲液中的UV-Vis/荧光光谱，以探讨其结构特征和光谱行为，并阐明其荧光性能和调控机制。同时，通过3D时间延迟活细胞荧光成像、体外细胞毒性实验、ROS诱导的细胞凋亡实验和分子对接实验，验证了该探针的成像能力和抗肿瘤效果，以及基于诺氟沙星的荧光探针的肿瘤选择性富集和细胞杀伤机制。本研究为开发兼具Topo II靶向性、活细胞肿瘤荧光成像和抗肿瘤活性的新型诺氟沙星-BODIPY杂交探针提供了实验数据和理论基础。

章节摘录

材料与仪器

所有试剂均为分析级，直接从商业供应商处购买。所有玻璃器皿在使用前均经过清洗、干燥并放入烤箱中保存。¹H (400 MHz)、¹³C (125 MHz) 和 ¹⁹F (376 MHz) 核磁共振（NMR）谱是在Bruker Avance光谱仪上记录的。化学位移（δ）以百万分之一（ppm）为单位表示，并以残留溶剂信号为参考；所用氘代溶剂的种类也一并注明。NMR测量的样品质量约为35毫克。

设计原理

设计策略如图2所示。NRFX具有强烈的抗肿瘤活性，但其高整体极性和较差的亲脂性以及缺乏内在荧光性限制了其在荧光成像中的应用。在本研究中，利用NRFX的哌嗪环作为天然连接位点，将其与高亲脂性荧光团BODIPY-Cl偶联，构建出兼具荧光成像和抗肿瘤功能的复合探针。NRFX骨架还提供了额外的识别作用。

结论

开发了一种名为NC-BDP的集成探针，旨在克服诺氟沙星的亲脂性差和荧光惰性问题，兼具肿瘤选择性积聚、实时成像和抗肿瘤活性。该探针属于三斜晶系P-1空间群，每个不对称单元包含两个独立分子，显示出合适的log P值。光谱研究表明，溶剂极性和氢键共同调控其光学行为；其吸收和发射波长保持稳定。

CRediT作者贡献声明

王振宁：撰写初稿、进行研究、数据整理。 苏培：负责可视化处理、结果验证和数据分析。 黄兰：参与研究、概念构思。 汤梅琪：参与研究、概念构思。 夏晓雪：参与研究、概念构思。 金国凡：撰写修订稿、提供审稿与编辑服务、项目管理、方法设计、资金申请和概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了江苏大学科学研究基金（项目编号17JDG002）的财政支持。

王振宁

苏培

黄兰

汤梅琪

夏晓雪

金国凡