癌症治疗的传统方式，包括化疗和放疗等，虽然在一定程度上能够控制肿瘤生长，但也伴随着许多副作用和局限性。传统疗法常常难以对抗肿瘤细胞对治疗的抵抗性以及对周围健康组织的损害，给患者带来极大的痛苦和困扰。因此，寻找一种新的、更有效且副作用更小的癌症治疗方法成为当今医学研究的重要方向之一。
2023年12月19日，莱斯大学James Tour、Ciceron Ayala-Orozco、得克萨斯大学安德森癌症中心Jeffrey Myers和得克萨斯农工大学Jorge Seminario合作，发现了一种新型分子机械作用方式，利用近红外光激活细胞膜相关分子的特定振动模式，导致了全分子的协同振动，从而在极短的时间尺度内迅速诱导肿瘤细胞的坏死。相较于传统疗法，这种新型机械作用方式具有显著的优势，不仅在体外实验中表现出极高的细胞杀伤效率，而且在体内实验中也显示出较高的生存率和肿瘤消退率。利用这些经典结构的VDA以比光热或光动力疗法快10-50倍的速度杀死细胞，其浓度比通常使用的低10倍，功率比常用的低10-50倍（80 mW cm−2而不是 1–4 W cm−2).该研究成果以“Molecular Jackhammers Eradicate Cancer Cells by Vibronic-Driven Action”为题，发表在Nature Chemistry。论文第一作者是莱斯大学的Ciceron Ayala-Orozco。
【工作机制】
首先，作者提到青霉素分子与细胞结合的可能机制。他们推测这种结合可能是通过青霉素分子中的异丙胺基团与细胞负电荷磷脂类相互作用而实现的。这种结合后，青霉素分子在光的作用下会启动振动驱动行动(VDA)作用，即分子的特定振动模式被激活。在这个过程中，青霉素分子中的特定振动模式被选择性地激发，尤其是Cy7.5-amine在730 nm的光下表现出了这种振动模式的特性。
接着，这种振动模式的激发导致了细胞膜对4′,6-二氨基-2-苯并吡咯（DAPI）的渗透性增加。DAPI是一种细胞膜不透过的染料，在细胞膜破裂的细胞中主要染色细胞的DNA。在实验中，光激活的Cy7.5-amine导致了细胞膜的渗透性增加，并最终导致人类A375黑色素瘤细胞的坏死。
最后，作者观察到不同青霉素分子对细胞的作用差异。尽管Cy7-amine在水中具有更高的吸收截面，但在相同条件下，Cy7-amine并不能像Cy7.5-amine那样迅速渗透细胞。这表明光热效应可能不是造成细胞作用的原因，因为Cy7-amine在730 nm处具有更高的吸收截面。同样，光动力疗法也不太可能是原因，因为Cy7青霉素和Cy7.5青霉素在产生单线态氧方面的效果相似。
图1 | 示意图、结构、光谱和流式细胞仪。图示中箭头表示的键的振动，使用（a）单个键的光激发，（b）多个键的宽带光激发和（b）振动驱动作用（VDA）的全分子激发，带有纵向分子等离子体（LMP，顶部）或横向分子等离子体（TMP，底部）。（d）Cy7.5-胺和Cy7-胺的化学结构和预期分子等离子体模式TMP和LMP。下方列出了它们的结构特征和翻译的振动作用。（e）青霉素分子的吸收光谱和振动集体振荡（振动模式）、LMP和TMP的分配。LED光源的光谱强度与青霉素分子的吸收光谱重叠。LED的光谱强度具有λmax = 734 nm和半高全宽（FWHM）= 35 nm。LED光主要激发了Cy7.5-胺的振动模式，但不是Cy7-胺。（f-k）流式细胞仪分析。使用1μM Cy7.5-胺或Cy7-胺在730 nm NIR光（80 mWcm-2，持续10分钟）激发后，A375黑色素瘤细胞对DAPI的快速渗透（DAPI进入并染色膜破裂的细胞，但对活细胞渗透较慢），并在光处理后约1分钟内进行分析。
【不同分子结构对于分子机械作用在细胞膜渗透性方面的影响】
1. Cy7.5-amine和Cy5.5-amine等青霉素类化合物相比，对细胞的渗透性更强：通过对比Cy7-amine和Cy7.5-amine以及Cy5-amine和Cy5.5-amine，发现Cy7.5-amine和Cy5.5-amine等化合物在受到特定波长（如730 nm或630 nm）光激发时，比起类似结构但不同特性的化合物，更有效地导致细胞膜的渗透。
2. 分子结构与细胞渗透性之间存在相关性：结果表明，分子结构中的特定部分，比如共轭结构的延伸或芳香环的变化，会直接影响这些化合物在进行分子机械作用时的效果。较长的聚甲醛桥共轭长度和芳环的扩展可以提高分子的机械作用效率。
3. 基于不同化合物的分子机械作用的强弱对细胞的影响：这些实验结果进一步证实了不同青霉素类化合物在激发特定振动模式时对细胞的作用差异。强化了特定化合物的分子机械作用（MJH效应）能够更有效地导致细胞的渗透和损伤。
图2 | 细胞膜渗透性与预期强度的分子机械作用（MJH）的依赖关系。（a）MJH的结构以及根据其预期相对强度在振动驱动作用（等离子体性）中的分类，基于吲哚与多环芳烃（PAH）的结合以及聚甲醛桥的π共轭长度。（b）每个MJH的吸收光谱与本实验中用于照明的特定LED光谱叠加显示。（c）在未照明条件下测量每个MJH存在时A375细胞的渗透性的流式细胞仪分析。红线代表区分DAPI阴性和阳性细胞（渗透性）的分割线。（d）在每种青霉素存在时测量A375细胞的渗透性的流式细胞仪分析，并使用每种青霉素的特定LED照明。红线表示区分DAPI阴性和阳性细胞（渗透性）的分割线。（e）显示了渗透细胞的百分比图表，其中的数字来自流式细胞仪分析。
图3 | 在共聚焦显微镜下，A375细胞在辐照过程中随时间发生的细胞膜渗透性变化。DAPI进入细胞的渗透性随时间记录（最右列）。(a)存在4 μM Cy5.5-amine但无激光照射的细胞。(b) 存在4 μM Cy5.5-amine且有640 nm激光照射的细胞。(c) 存在4 μM Cy5-amine但无激光照射的细胞。(d)存在4 μM Cy5-amine且有640 nm激光照射的细胞。(e) 存在靶向细胞膜的4μM DiD染料但无激光照射的细胞。(f) 存在4 μM DiD染料且有640 nm激光照射的细胞。
【动物实验】
在小鼠的黑色素瘤模型中，使用Cy7.5-amine处理显示了很好的治疗效果。对B16-F10黑色素瘤的处理未导致明显的温度上升，但明显减小了肿瘤大小。而在A375黑色素瘤的处理中，使用了不同的参数，取得了使小鼠在实验的120天内生存率达到60%且50%小鼠肿瘤完全消退的结果（图4）。
图4 | MJH Cy7.5-amine在小鼠肿瘤治疗中的治疗效果。
【小结】
低浓度MJH的VDA是一种有效的方法，可以渗透癌细胞膜，并使用低强度的近红外光（12 J/cm²，80 mW/cm²，2.5分钟）引起高效的坏死细胞死亡。Cy7.5-amine的IC50为250 nM，表明它在快速临床转化癌症治疗方面具有良好的适用性。研究人员已经确定了一种易于接近近红外光的分子等离子体（振动耦合），该分子是一种生物相容性强、水溶性好、对细胞膜渗透活性强的小有机分子。这些小分子不需要电化学地添加或移除电子就能激活其振动模式。这个发现展示了一种在分子尺度上的新型机械作用，可以消灭细胞或可能使用辅助治疗细胞。研究人员目前正在寻找并合成其他能够增强细胞结合和VDA特性结合的小分子。此外，其他应用可能包括选择性调节酶中的活性位点、调节蛋白通道、或者调节具有药理学意义的超分子生物组装的结构/功能。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41557-023-01383-y
来源：BioMed科技
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