靶向线粒体 G-四链体 DNA 的诊疗一体化小分子用于宫颈癌成像与治疗

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Targeting mitochondrial G-quadruplex DNA with a theragnostic small molecule for cervical Cancer imaging and therapy

　　

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  一种靶向线粒体G-四联体DNA的智能诊疗制剂
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  >LN1在结合线粒体G-四联体（mtG4）后实现荧光开启，可用于实时成像
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  >LN1破坏线粒体、升高活性氧（ROS）、消耗ATP并诱导细胞凋亡

引言

诊疗一体化（Theranostics）是精准医学的核心组成部分，旨在将诊断成像与治疗功能整合于单一平台中，从而实现药物分布和治疗效果的实时监测[1]。近年来，众多诊疗制剂在精准医学和癌症治疗领域引起了广泛关注。这些制剂将诊断与治疗功能融为一体，在单一系统中发挥多种作用——通过分子成像技术实现肿瘤定位和实时监测，或通过光热[2]或光动力[3]方法实现靶向线粒体的肿瘤治疗。开发多功能诊疗制剂仍是精准癌症治疗中的主要挑战。随着精准癌症治疗需求的不断增加，化疗和联合治疗正越来越多地向诊疗一体化方向转变[4]、[5]。这一策略对于宫颈癌的治疗尤为关键，能够在提高治疗效果的同时最大限度减少不良反应。在一定程度上，诊疗一体化增强了肿瘤治疗的效率。然而，在诊疗过程中对关键阶段的实时监测和全程持续信号追踪仍然具有挑战性[6]。癌症是全球主要死因之一，也是阻碍全球预期寿命提高的最重要障碍[7]、[8]、[9]。

鉴于线粒体功能障碍与癌症、糖尿病、神经退行性疾病以及缺血再灌注损伤等多种疾病密切相关[10]、[11]，过去二十年来，线粒体作为治疗靶点的关注度显著上升。人类线粒体DNA（mtDNA）是一个由16,569个核苷酸组成的环状分子，编码13种对氧化磷酸化（OXPHOS）至关重要的蛋白质，以及22种翻译所需的tRNA和2种rRNA[12]。线粒体G-四联体（mtG4s）是线粒体基因组不稳定的主要来源之一，因为它们会损害DNA合成过程中的复制机器。此外，线粒体产生的活性氧（ROS）通过氧化还原信号调节诱导线粒体损伤[13]。在四种DNA核苷酸碱基中，还原电位最低的是鸟嘌呤（G），它最容易受到ROS诱导的氧化。线粒体DNA G-四联体（mtDNA G4s）[14]、[15]、[16]是调节线粒体功能的潜在调控元件，并已成为抗肿瘤小分子开发的有前景的靶点[17]。将诊疗制剂直接递送至线粒体是研究和治疗此类疾病的有效途径[18]。最近，已开发了几种靶向mtDNA G4的配体，如BMVC-12C-P、mitoISCH、SPN和BYM等[19]、[20]、[21]、[22]，其中部分已显示出高活性的抗癌作用[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。三苯基膦（TPP）是目前应用最广泛的线粒体靶向载体。其结构由带正电荷的鏻离子与三个苯环相连组成，赋予TPP高脂溶性。苯基提供空间位阻以保护磷原子免受水解[31]。此外，结构中磷原子上的正电荷可以分散在三个苯环上，形成离域正电荷，促进TPP跨脂双层转运并靶向线粒体内部。然而，目前尚无有前景的小分子进入临床试验阶段，这使得这一路径充满挑战。因此，我们的实验室一直致力于开发靶向mtDNA G4的小分子抗肿瘤制剂[32]。基于潜在G-四联体的结构特征，本研究设计并合成了一系列新型三苯胺衍生物，靶向SiHa人宫颈鳞状细胞癌细胞中的线粒体G-四联体。

本文报道了LN1，一种首创的智能诊疗小分子，其独特地将mtG4靶向基团与荧光开启骨架整合为一体。LN1通过一种此前未被认知的机制发挥作用：高亲和力结合mtG4后限制分子内旋转，同时激活强荧光信号以实现实时成像，并触导线粒体功能障碍，最终导致强效且选择性的癌细胞死亡。我们证明，这种双重功能使其能够实时追踪药物在体内靶向线粒体的定位，基于mtG4表达的差异区分癌细胞与正常细胞，并实现体内肿瘤的高对比度靶向成像。通过确立mtG4 DNA作为诊疗脆弱性靶点，LN1为理解癌症中的线粒体生物学提供了强大的新型化学探针，并展示了开发下一代精准诊疗制剂的令人信服的研究路线。

章节摘要

LN1和LN2的合成与选择性筛选

两种化合物的合成路线见图1，详细步骤见实验部分。LN1和LN2分别通过季铵化、亲核取代和Knoevenagel缩合反应合成。所有最终产物的结构均通过¹H NMR、¹³C NMR和高分辨质谱（HRMS）确认，纯度由分析型高效液相色谱（HPLC）测定。

为指导选择更优的

结论

将诊断与治疗功能整合于单一分子平台，代表了精准肿瘤学的一项变革性目标。在本研究中，我们引入了LN1，一种经过理性设计的智能诊疗分子，该分子将基于三苯胺的荧光骨架与TPP线粒体靶向基团整合为一体。这一独特的结构架构使LN1能够高保真地执行双重功能：它作为mtG4 DNA的灵敏且特异性荧光探针，

化合物1的合成

将2,3,3-三甲基吲哚（0.40 g，2.51 mmol）和1,4-二碘丁烷（1.95 g，6.28 mmol）加入适量无水乙腈中。加热回流搅拌24小时。冷却至室温后形成沉淀，用布氏漏斗抽滤收集。滤液减压浓缩，将残留物倒入乙酸乙酯（EA）与石油醚（PE）按1:4（v/v）混合的溶液中，得到

CRediT作者贡献声明

李暖、颜文波、王哲：撰写——初稿、调查研究、形式分析、数据整理。袁彦妮、张美梅、高建梅、任华英、刘英华：调查研究、形式分析。曹楠、何佳鑫、欧阳一凡、洪洲、刘全霞、杨锦亮、袁辉：数据整理。赵奇鹏、范燕茹、黄宇、杨昊：撰写——审稿与编辑、监督、资源、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所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：82360676）、宁夏自然科学基金（编号：2026AAC031138、2024AAC03291、2024AAC03351）、宁夏重点研发计划（编号：2026BEG02032、2024BEH04152、2023BEG02012）、教育部六盘山地区药用资源保护、开发与利用重点实验室研究项目（NXMU，编号：KFKT202311）、宁夏医科大学校级

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