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或許，在不久的將來，數(shù)以億計的人們的生命甚至將會受到這些耐藥的細菌感染的威脅。當然，這一問題可以通過增加藥物的選擇性來減少或規(guī)避，例如借助輔助物將藥物輸送到特定的位點，亦或是通過外界或者內(nèi)界刺激來激活釋放藥物。對于后一種方法而言，在大部分情況下我們?nèi)匀幻媾R著藥物自身存在低選擇性、低藥載容量、傳輸中會發(fā)生藥物泄漏以及對身體有副作用等問題的情況。針對于此，研究新的刺激方法和理論來有效地解決這些問題，實現(xiàn)藥物活性區(qū)域的遠程控制仍然是目前非常炙手可熱的研究熱點。

當談到通過外界刺激法控制藥物活性時，利用光與聲波理所當然地成為了比較常用的刺激方法。在光藥理學領域，光是時間與空間上對藥物活性施加精確控制的主要媒介。這項技術存在滲透深度低、光熱對健康的細胞會帶來損傷以及有紫外線毒性的問題。而在另一方面，超聲波在臨床醫(yī)學中也已經(jīng)能夠做到在時間與空間上對藥載體施加精確的控制，并能做到對組織滲透深度和能量的精確把控。的確，非入侵性的超聲波所伴隨的聲波、輻射壓力、所產(chǎn)生的熱量等都有可能會導致組織之間發(fā)生相互作用，并且聲波無法準確選擇功能性分子組合。

另一方面，機械化學是能夠?qū)⒊暡☉迷诳刂品肿訉用娴闹嘏派系?，同時它也可以指定斷裂位點上的成鍵。正常情況下的實現(xiàn)方法是通過將機械能應用在大分子骨架上，從而將其轉(zhuǎn)化為機械化學游離鍵，隨之形成之后的機械響應聚合物（mechanophore）。迄今為止，在高分子機械化學領域的研究主要聚焦在理解機械能所誘導的化學轉(zhuǎn)變和其對材料性質(zhì)的影響，而分子鍵斷裂激活藥物分子這一領域卻沒有受到足夠的關注。最近，廈門大學霍帥東教授在這一領域取得重要研究進展，以“Mechanochemical bond scission for the activation of drugs”為題發(fā)表在最新一期的《Nature Chemistry》上，并被自然期刊以專題新聞“The liberating force of sound”進行了報導。

他們創(chuàng)造了適用不同藥物、不同體系的三種不同的超聲波斷裂激活釋放藥物的方法（如圖1），主要表現(xiàn)為通過超聲波誘導斷裂共價鍵和非共價鍵，從而激活藥物。

· 第一種方法選用了二硫基團為中心的聚合物，通過其β位點二硫基團與碳酸鍵耦合連接的方法，從而攜帶一種單萜生物堿類抗癌藥物-喜樹堿（圖1a）。超聲波誘導輻射可以將二硫基團斷裂，激發(fā)分子內(nèi)的環(huán)化并且釋放激活藥物。

· 第二種方法則主要憑借RNA核酸配適體與其對應靶點的強烈的結(jié)合力。他們合成了一種高相對分子質(zhì)量的包含核酸適體重復單元的聚合核酸配適體，并與抗生素新霉素B或是巴龍霉素以非共價鍵的形式相結(jié)合（如圖1b）。超聲波可以誘導斷裂這種非共價鍵形式的緊密結(jié)合，并引發(fā)分子的解集和RNA中磷酸雙脂鍵的斷裂，從而激活藥物的釋放。

· 第三種方法運用了含萬古霉素的聚合物和其以氫鍵為主的肽鍵靶序列納米分子進行了超分子結(jié)合，引導形成力敏感的前體藥物組裝納米分子（圖1c）。并且，作者開發(fā)了兩種不同的結(jié)合方式（將含肽鍵的金納米分子與萬古霉素的聚合物或是含萬古霉素的金納米顆粒），并對比了它們分別由超聲波引導斷裂并激活釋放藥物的納米顆粒的具體情況。

圖 1：超聲波誘導激活藥物的三種方法

 【第一種方法：二硫基團聚合物的超聲波斷裂激活藥物】

作者首先通過可控自由基聚合方法合成了兩種以寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（POEGMA）為主的聚合物：一種為聚合物PUMB（相對分子質(zhì)量109.5 KDa, 分散系數(shù)1.56），攜帶熒光標記傘形酮（UMB），該聚合物作為參照對象；另外一種則為二硫基團為中心位的聚合物PCPT（83.7 KDa, 分散系數(shù)1.46），攜帶抗癌藥物喜樹堿。位于聚合物中心的藥物可以保護自身并且降低自身的活性。首先，作者借助化學方法斷裂PUMB中的二硫基團來測試并證實了系統(tǒng)的激活能力，鍵的斷裂會釋放自由的熒光標記傘形酮，隨后引起熒光吸收峰的增加。在這之后，作者驗證了PUMB聚合物在超聲波的放射下，在4個小時內(nèi)達到了80%的自由傘形酮產(chǎn)率。從而確認了該系統(tǒng)在超聲波放射下的激活釋放分子能力。隨后，作者又針對海拉細胞，進行了MTS細胞增殖測定法實驗。通過與一系列變量分子做對比，作者探究了聚合物PCPT的藥物活性。相比于CPT分子或是CPT引發(fā)劑，聚合物PCPT展現(xiàn)出了更高的IC50值，證明了聚合物隨機纏繞在藥物周圍會降低藥物的活性。并且，在移除激活后的喜樹堿藥物后，其POEGMA聚合鏈和超聲波照射之后所留下的聚合鏈PCPT分子并沒有體現(xiàn)出明顯的毒性，這也就從側(cè)面證實了該藥物載體本身在體內(nèi)并沒有毒性。最終，作者對聚合物PCPT溶液進行了超聲波照射，然后將其溶解在細胞培養(yǎng)液中，并用來培養(yǎng)海拉細胞。實驗證明，細胞的存活比例與超聲波的照射時間成反比，這與之前的控制實驗相照應，證明了超聲波能夠成功激活并釋放喜樹堿。

圖 2：第一種方法的實驗分析。圖a為PUMB隨著超聲波照射時間的熒光吸收峰譜。圖b為隨著超聲波照射時間變化下的計算出的PUMB和相對引發(fā)劑釋放比例。圖c為MTS細胞增殖測定實驗中不同變量分子濃度與細胞存活率的關系。圖d為PCPT的MTS細胞增殖測定實驗，圖中反應了不同濃度在不同時間段的細胞存活率。圖e為PCPT在超聲波照射之前和之后的凝膠滲透色譜實驗數(shù)據(jù)和質(zhì)譜。

【第二種方法：在RNA核酸配適體中激活藥物】

第二種方法主要依賴于利用超聲波同時斷裂RNA鏈中非共價鍵和磷酸雙脂鍵共價鍵。首先，他們通過滾環(huán)式復制法和RNA模板編碼R23 RNA適體，合成出帶有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的聚合RNA核酸適體。之后，通過將其與帶有Cy3熒光標點的巴龍霉素抗生素共同培養(yǎng)，形成穩(wěn)定的帶有熒光標點的巴龍霉素聚合RNA適體混合物（Cy3-Paromo@PAPT）。實驗證明，在超聲波的照射下，80%的抗生素都能夠在30分鐘之后被激活。于此同時，對于另外一種抗生素新霉素B與適體形成的混合物而言，作者將超聲波實驗設置在了有細菌存在的情況下，來衡量在激活藥物抗菌（金葡菌）時所產(chǎn)生的最小抑菌濃度。結(jié)果證明了在結(jié)合作用發(fā)生時，無論是巴龍霉素抗生素與適體結(jié)合所形成的混合物，或是與多聚適體結(jié)合的混合物，或是多聚適體自身，它們都不存在抗菌性，這些都從側(cè)面反應出了結(jié)合和穩(wěn)定藥物的作用之強，而且作者發(fā)現(xiàn)巴龍霉素抗生素與多聚適體結(jié)合的最小抑菌濃度在不斷減小，最終在30分鐘之后達到了與巴龍霉素抗生素自身相同的最小抑菌濃度，這證明了非共價鍵與磷酸共價鍵的斷裂會引發(fā)藥物的激活與釋放。最終，作者通過染色實驗證實了抗生素幾乎殺死了所有的細菌，并且這種效應只在超聲波照射之后才會發(fā)生。

【第三種方法：在組裝的納米分子中激活藥物】

第三種方法主要憑借萬古霉素和肽鍵靶序列超分子結(jié)合，來引導形成力敏感的前體藥物自組裝納米分子。鍵的結(jié)合作用在兩種分子的表面，以便于之后的超聲波斷裂。首先，作者制備了含有檸檬酸鹽作為保護層的金納米分子，并在這之后與肽鍵（DADA）通過化學鍵作用連接。于此同時，作者將萬古霉素的基團功能化并連接上聚合引發(fā)劑，從而實現(xiàn)寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯的銅催化可控自由基聚合。在這之后，作者通過將DADA連接的金納米分子與萬古霉素在尾端的聚合物相連接，形成聚合物納米分子的組裝。與之前第二種觀察的現(xiàn)象類似，在超聲波的作用下，最小抑菌濃度值隨著時間的變化在不斷減小，證實了超分子鍵的斷裂和藥物的激活。在這之后，為了實現(xiàn)在低藥物濃度下的額外的一種激活方式，作者分別合成了含有肽鍵（DADA）和萬古霉素的金納米分子，并將兩種納米分子進一步組裝。最終，作者也通過檢測最小抑菌濃度的方法，檢測了超聲波斷裂超分子鍵作用的能力。實驗發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，最終所得的最小抑菌濃度值幾乎與萬古霉素分子自身相同，遠遠低于之前的所合成的含萬古霉素的聚合物。

【總結(jié)】

總體而言，作者詳細闡述了三種完全不同的實現(xiàn)超聲波激活藥物釋放的方法。通過研究不同的對象、不同的分子呈現(xiàn)形式，運用了不同的測試方法，精辟而有力地證明了每種方法的優(yōu)勢和有效性。該研究毫無疑問地為超聲控制載藥釋體打開了一扇新的大門。

作者簡介

霍帥東教授個人簡介（課題組網(wǎng)頁www.huo-lab.com）：霍帥東博士，主要研究領域有納米藥物與生物系統(tǒng)的作用機制研究以及智能納米藥物的創(chuàng)新設計。在2020年博士后出站后，在廈門大學擔任教授職位，成為博士生導師，并被評為廈門大學“南強青年拔尖A類人才”，迄今已在Nature Nanotechnology，Science Advances，PNAS，Cancer Research，Advanced Materials，ACS Nano，Nano Letters，Biomaterials等國際學術期刊上發(fā)表學術論文30余篇，其中9篇引用次數(shù)過百（4篇ESI高被引論文），個人總引用次數(shù)大于2300，H指數(shù)為19（谷歌學術2019年12月數(shù)據(jù)）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41557-020-00624-8

參考資料：
[1]微信公眾號高分子科學前沿（ID：Polymer-science），《自然?化學》：開山之作！超聲載藥釋放取得新突破！，https://mp.weixin.qq.com/s/7ePiDjeDk2BhRZP6tnMJXA