C-C共轭碳水化合物-卟啉杂化物：其在光动力疗法和细胞摄取研究中的治疗潜力

汉娜·赫米莱夫斯卡（Hanna Chmielewska）|达留什·巴拉恩（Dariusz Baran）|阿雷塔·M·切尔维恩斯卡（Areta M. Czerwińska）|巴托什·戈德列夫斯基（Bartosz Godlewski）|马切伊·马利诺夫斯基（Maciej Malinowski）|伊洛娜·格拉博夫斯卡-亚达赫（Ilona Grabowska-Jadach）

华沙工业大学化学系，诺阿科夫斯基街3号（ul. Noakowskiego 3），00-664 华沙，波兰

摘要

在现代药物化学中，替代性抗癌疗法正逐渐受到重视，而光动力疗法（PDT）是目前研究最为广泛的疗法之一。本文探讨了一种独特的光敏剂（PS）——水解稳定的CC键合的糖卟啉（PS 1）的生物学特性。这种糖缀合物是通过改良的Sonogashira反应协议在微波照射下制备的。卟啉系统的糖基化显著降低了其在黑暗条件下的细胞毒性，同时这种修饰并未影响光照后活性氧（ROS）的生成。我们将PS 1的光疗活性与未修饰的合成卟啉PS 2进行了比较。本文通过化学和生物学实验展示了这些化合物在ROS生成、细胞摄取研究以及糖卟啉在PDT中的应用潜力。在测试的浓度范围内（2.5–100 μM），PS 1在黑暗条件下没有表现出明显的细胞毒性，并且光照后表现出明显的效果，这表明其在体外筛选阶段具有良好的选择性。

引言

光动力疗法（PDT）是一种极具前景且侵入性较小的治疗方法，可用于治疗癌症、细菌感染和皮肤病等多种疾病。[1], [2], [3], [4] 成功的PDT需要特定的光敏剂（PS）和适当的光源来达到预期的治疗效果。首先，将光敏剂（PS）施用于细胞，然后用合适波长的光进行照射。光敏剂吸收能量后从激发态回到基态，并将能量传递给氧气，使其转化为活性氧（ROS）。这些活性氧对局部细胞具有毒性，是治疗效果的直接来源。因此，除了光源外，选择合适的光敏剂是PDT成功的关键因素。理想的光敏剂应具有较高的ROS生成效率，能够吸收低能量波长的光（最好是可见光或近红外光），并且在无光条件下保持无毒。因此，许多现代研究都集中在光敏剂的选择和修饰上，这是PDT发展的一个新兴领域。[5], [6] 有趣的是，卟啉骨架似乎是最符合上述要求的材料之一，常被用于PDT和其他相关疗法中。[7], [8], [9], [10]

然而，尽管卟啉类化合物具有诸多优势，但仍需克服一些挑战以提升其生物医学潜力。首先，它们在生理环境中的溶解度较低，这严重限制了其在体内的应用。其次，希望光敏剂能够优先积聚在癌细胞附近，从而在光照时发挥更好的治疗效果。[11] 有趣的是，通过引入碳水化合物基团可以同时解决这两个问题。[12], [13], [14], [15] 这些极性基团不仅提高了化合物的水溶性[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]，还能增强其与癌细胞表面凝集素的结合能力。[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30] 因此，修饰卟啉骨架的糖单元可能起到“特洛伊木马”的作用，帮助光敏剂在目标细胞中积累。这些发现使我们关注到第三代光敏剂——糖卟啉，并推动了新的合成方法的研究。[31], [32], [33] 研究表明，糖基化在不同类型的卟啉骨架上都能带来显著的优势[34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50]，为其在抗菌光动力灭活（PDI）等疗法中的应用提供了可能。[16], [51], [52], [53], [54] 我们之前的研究集中在改进光热疗法（PTT）[55], [56] 以及开发用于评估PDT效果的新实验室芯片系统上。[57], [58] 目前我们的研究重点在于开发新的糖卟啉光敏剂及其在PDT中的潜力。[59], [60], [61], [62] 我们已经发现，通过S_NAr反应对卟啉进行糖基化可以降低其细胞毒性。[59] 这尤为重要，因为光敏剂在无光条件下通常不会产生副作用。然而，现有的方法仅允许通过S_NAr策略将糖单元与卟啉连接，这意味着两种基团是通过可能发生水解的CO键连接的。为此，我们尝试了新的策略，以稳定地通过CC键将糖单元与卟啉连接起来。这一概念利用Sonogashira和Suzuki-Miyaura反应实现了这一目标。[60], [61], [62] 尚不清楚这种糖基团是否与其他糖单元具有相似的作用，以及是否也能提高糖卟啉的生物相容性。

本文介绍了CC键合的糖卟啉杂化物（PS 1，图1）的生物学特性，证明了其与未糖基化的PS 2（图1）相比在PDT中的优势。

章节摘录

合成

我们的研究从两种基于卟啉的光敏剂（PS）的合成开始。糖卟啉1（PS 1）是采用我们实验室之前介绍的Sonogashira反应方法制备的。[62] 该方法生成了一种独特的糖卟啉，其中糖单元通过CC键与meso-芳基团连接。这种结构在卟啉杂化物的研究中较为罕见。[63] 通常，CC键合的糖卟啉是通过Lindsey或MacDonald方法合成的。

结论

我们的研究表明，CC键合的糖卟啉（PS 1）具有潜在的生物活性，属于新型且有趣的光敏剂亚组。我们首次证明，糖基化可以降低卟啉的细胞毒性，且不会影响其光细胞毒性。这一结论得到了IC₅₀值的支持，表明其在黑暗条件下的毒性极低。

通用实验方法

所有化学实验均在密封管中进行。乙腈使用前在氩气保护下通过蒸馏纯化。三乙胺在KOH上干燥后使用。1,4-二氧烷通过分子筛（4 Å）过滤后使用。其他溶剂无需进一步纯化。除非另有说明，否则使用市售化学品。Pd-XPhos-G3购自AmBeed，XPhos购自Fluorochem，CuI购自Sigma Aldrich。反应过程通过薄层色谱法监测。

CRediT作者贡献声明

汉娜·赫米莱夫斯卡（Hanna Chmielewska）：研究工作、数据分析。达留什·巴拉恩（Dariusz Baran）：数据可视化、方法学研究、数据分析。阿雷塔·M·切尔维恩斯卡（Areta M. Czerwińska）：研究工作、数据分析。巴托什·戈德列夫斯基（Bartosz Godlewski）：数据可视化、初稿撰写与修订、验证、项目监督、方法学研究、资金申请、数据分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关联：

伊洛娜·格拉博夫斯卡-亚达赫（Ilona Grabowska-Jadach）表示得到了华沙工业大学的财务支持。马切伊·马利诺夫斯基（Maciej Malinowski）表示得到了波兰国家科学中心的财务支持。马切伊·马利诺夫斯基拥有专利“卟啉-糖杂化物及其合成方法”（专利号PL 244591）。达留什·巴拉恩（Dariusz Baran）也拥有相关专利。

致谢

我们感谢卡罗利娜·乌尔巴诺维奇（Karolina Urbanowicz）在光谱荧光测量方面的帮助。本研究得到了波兰国家科学中心（项目编号2023/51/D/ST5/00384）的资助。此外，该研究还得到了华沙工业大学的POSTDOC PW IV项目的支持。