背景
溶酶体是细胞内承担大分子降解、维持细胞稳态的核心细胞器，其腔内环境具有强酸性与高粘度的特点。在肿瘤、神经退行性疾病等病理状态下，溶酶体内部粘度会发生显著升高，异常的粘度水平会直接破坏自噬‑溶酶体通路功能，加速疾病的发生发展。近些年来大量研究证实，溶酶体同样是调控铁死亡的关键细胞器，当溶酶体膜发生通透化损伤之后，腔内储存的铁离子会释放至胞质，通过芬顿反应催化产生大量脂质过氧化物，进而启动铁死亡程序，这也让溶酶体成为肿瘤诊疗一体化非常有前景的研究靶点。但目前广泛使用的溶酶体荧光探针依旧存在不少难以回避的缺陷，传统LysoTracker系列探针依靠弱碱性基团质子化实现溶酶体滞留，无法区分pH波动和粘度变化带来的荧光信号，同时还存在光稳定性差、容易光漂白的问题。更重要的是，绝大多数溶酶体探针只能够完成荧光成像检测，不具备光敏活性，无法在光照条件下触发铁死亡，极大限制了这类分子从单纯检测向治疗方向拓展。基于这样的研究现状，开发一种能够同时实现溶酶体微环境粘度实时监测，并且可以光控诱导肿瘤细胞铁死亡的多功能分子探针，具有很高的现实研究价值。
为了解决现有溶酶体探针的功能短板，深圳大学胡命豪课题组设计并合成了一系列苯并咪唑‑香豆素共轭衍生物NIC‑1至NIC‑9，通过系统的构效关系筛选，得到综合性能最优的分子NIC‑6。该小分子集溶酶体粘度荧光传感与光动力触发铁死亡为一体。相关成果以“A Novel Viscosity-Responsive Fluorescent Photosensitizer with Imidazole−Coumarin Conjugation Induces Lysosome-Mediated Ferroptosis in Cancer Cells”为题发表在Anal. Chem.（DOI: https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c05802）。
图文解析
该分子中的咪唑基团属于弱碱性结构，pKa为4.8，和溶酶体生理pH（4.5‑5.5）高度匹配，依靠经典的溶酶体离子捕获机制实现细胞器靶向，共聚焦成像结果显示NIC‑6与溶酶体商用标记染料LysoTracker Red的皮尔森共定位系数达到0.82，对细胞核、线粒体几乎没有靶向富集。光物理实验表明，NIC‑6遵循分子内旋转受限RIR机理发挥粘度响应功能，在水相中分子单键自由旋转，激发态能量以非辐射形式耗散，荧光几乎完全淬灭；当环境粘度提升，分子内旋转被抑制，非辐射弛豫通路被阻断，荧光发生显著开启，其荧光量子产率可以从水相的0.0017提升至90%甘油体系下的0.3664。在溶酶体所处的酸性区间，粘度激活的荧光信号保持稳定，同时探针响应不受胞内金属离子、活性氧、谷胱甘肽、氨基酸等多种生理干扰物的影响。研究人员进一步使用制霉菌素、LPS处理细胞人为提升胞内粘度，NIC‑6的荧光强度同步上升，证明探针可以捕捉活细胞内病理刺激带来的溶酶体粘度动态改变。进一步，由于肿瘤细胞内溶酶体粘度更高，探针荧光信号更强，可以实现肿瘤细胞与正常细胞的荧光区分。
图1.4T1细胞中亚细胞定位以及胞内粘度监测。共聚焦荧光图像展示NIC‑6 分别与 (A) 溶酶体染料LysoTracker Red、(B) 细胞核染料Hoechst、(C) 线粒体染料MitoTracker Deep Red的共定位情况。(D) 采用制霉菌素(Nys)与脂多糖(LPS)处理诱导细胞粘度改变后，4T1细胞的胞内荧光成像以及荧光强度定量分析。
在光照激活条件下，NIC‑6的光毒性指数PI大于1000，黑暗环境下 IC₅₀大于50 μM，暗毒性很低，光照后IC₅₀下降至纳摩尔级别。光照产生的大量活性氧会直接破坏溶酶体膜结构，造成溶酶体膜通透化LMP，促使溶酶体储存铁释放，进而引发胞内脂质过氧化；生化检测结果显示光照处理之后4T1细胞内GSH被大量耗竭，铁死亡核心抑制蛋白GPX4发生明显下调，同时DNA损伤标志物γ‑H2AX、凋亡相关 Cle‑PARP蛋白表达上调，铁死亡抑制剂Fer‑1可以显著缓解脂质过氧化现象，完整证实NIC‑6通过溶酶体通路诱导肿瘤铁死亡。课题组先后在二维肿瘤细胞、4T1三维多细胞肿瘤球以及BALB/c小鼠皮下移植瘤模型完成药效验证，NIC‑6能够有效渗透进入三维肿瘤球内部，光照处理可以显著抑制肿瘤球体增殖；动物实验中瘤内注射联合局部光照能够明显抑制肿瘤生长，小鼠体重没有出现下降，心、肝、脾、肺、肾主要脏器的重量与组织H&E切片均未见明显病理损伤，证明该诊疗分子拥有良好的体内生物安全性。
图2.4T1三维多细胞肿瘤球的治疗效果评价。(A) 明场与绿色荧光成像，监测 24 h内NIC6随时间向肿瘤球内部渗透过程。(B) 光照条件、(C) 黑暗条件下，8天观测周期内肿瘤球体体积随时间变化生长曲线。
总结
总体而言，该研究构建了NIC‑6这一款集溶酶体粘度荧光传感、光动力诱导铁死亡双重功能的诊疗一体化光敏剂，打通了溶酶体微环境检测到铁死亡抗肿瘤治疗的研究通路。一方面，该探针可以作为有效的分子工具，用于活细胞体系下溶酶体粘度动态变化的观测，帮助科研人员更好地研究溶酶体相关病理过程；另一方面，这项工作也为铁死亡介导的肿瘤光动力治疗提供了全新的候选分子，为后续细胞器靶向多功能诊疗探针的分子设计、构效优化提供了可以参考的设计思路。
论文信息
Gan Li, Zhuo‑Liang Zhou, Ming‑Hao Hu*. A Novel Viscosity‑Responsive Fluorescent Photosensitizer with Imidazole−Coumarin Conjugation Induces Lysosome‑Mediated Ferroptosis in Cancer Cells. Analytical Chemistry, 2026, DOI: 10.1021/acs.analchem.6c05802.
免费试用快速液相制备色谱
热门跟贴