在本研究中，研究者首先筛选了含有不同取代基的对叠氮苄醇前体，并验证了其体外超声还原效率（图1A）。成功筛选出叠氮还原效率超过50%的化合物用于键合活性药物。此外，研究者进一步探究了超声还原叠氮的机制。揭示了超声可有效扩增自由基水平，如羟基自由基（图1B）和超氧阴离子自由基（图1C），并且在声敏剂核黄素四丁酸酯（TBR）的作用下，这种效果进一步被放大。加入自由基捕获剂显著抑制叠氮还原也说明了对叠氮苄醇前体的超声还原是通过自由基机制介导的（图1D）。

图1. 超声还原条件的筛选和自由基机制验证。

基于上述结果，研究者对键合活性模型药物阿霉素（DOX）的PAzBC前药进行了筛选，得到兼具最佳超声还原效率和自消除效率的四氟取代对叠氮苄氧羰基前体（4F-PAzBC）。这种4F-PAzBC平台可适配多种活性基团（氨基、羟基、巯基），成功应用于阿霉素（DOX）、喜树碱（CPT）和6-巯基嘌呤（6-MP）等抗癌药物。体外实验表明，4F-PAzBC基前药的叠氮还原效率最高超过99%，活性药物释放率最高接近40%。

图2. PAzBC前药的超声还原能力验证。

为了更进一步验证叠氮超声还原过程的潜在机制，研究者对4F-PAzBC前药进行了密度泛函理论 （DFT） 计算，并证实了这种超声还原反应过程的顺利进行。

图3. 验证 4F-PAzBC 前药的超声还原自消除机制。

细胞实验显示，不同活性基团前药的毒性较原型药物分别降低了4.1-115.5倍，表明基于 4F-PAzBC 的前药在没有超声触发的情况下保持无活性，证实了其安全性。选择DOX-N₃作为模型药物，通过超声激活在不同肿瘤细胞模型中均表现出高选择性激活，选择性杀伤效果分别提升了11.9-169.5倍。 

图4. 在细胞水平上验证 4F-PAzBC 前药。

动物水平上，使用DOX-N₃在CT26结肠癌小鼠模型上验证了这种基于PAzBC前药的治疗效果，发现联合超声和声敏剂核黄素四丁酸酯（TBR）的治疗方案实现了97.7%的肿瘤抑制率，且未引发的心脏毒性，这进一步证实了基于 PAzBC 的前药的超声选择性激活机制。 

图5. DOX-N₃对CT26荷瘤BALB/c小鼠的体内抗肿瘤效果。

该工作首次证实了物理治疗级超声可以有效激活 PAzBC 前体以释放活性药物，并阐明了超声诱导激活的潜在分子机制，揭示了物理治疗级超声启动单电子转移 （SET）和氢原子转移 （HAT） 过程。这项为未来超声激活前药结构的合理设计奠定了基础，为开发更有效、更精确的治疗策略提供了新思路。 

刘芷麟，中国科学院长春应化所副研究员，吉林省青科协会员，入选吉林省青年科技人才托举工程等，以第一/通讯作者在Adv Mater、Natl Sci Rev、ACS Nano、Biomaterials、J Control Release、Chem Eng J、CCS Chem、Nano Today、Aggregate等SCI期刊发表文章20余篇，申请PCT专利1项，中国发明专利13项，其中已授权专利6项。

汤朝晖，中国科学院长春应化所研究员。国家杰出青年科学基金获得者（2020年），入选中国科学院青年创新促进会“优秀会员”，研究方向为有机高分子生物医用材料，在Adv Mater、J Am Chem Soc、ACS Nano、Biomaterials、Adv Sci等期刊发表文章130余篇，h-index 52。申请中国发明专利40余项，其中已授权专利30余项，申请PCT专利2项，获授权美国专利1项。

文献详情：

Ultrasound-Triggered Activation of p-Azidobenzyloxycarbonyl-based Prodrugs via Radical-Mediated Cascade Elimination

Hang Xu, Mengfei Zheng, Daping Ye, Junyan An, Zhilin Liu*, Zhaohui Tang*, Xuesi Chen. 

Journal of the American Chemical Society,2025

https://doi.org/10.1021/jacs.5c03878

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