编辑推荐：
本文聚焦生化触发可裂解共轭技术，详细阐述其在精准医学中的关键作用。文中介绍了肿瘤、感染等病理微环境的差异，以及酶、谷胱甘肽（GSH）等响应的可裂解共轭策略。虽然该技术面临挑战，但在药物递送、成像等领域前景广阔，值得科研人员深入研读。
生化触发可裂解共轭技术在精准医学中的应用综述
在现代医学的发展进程中，精准医学逐渐成为未来治疗策略的关键方向。生化触发可裂解共轭技术，凭借其能依据局部区域环境做出响应的特性，在这一领域发挥着至关重要的作用。
一、生化触发可裂解共轭技术的核心意义
生化触发可裂解共轭技术允许治疗药物依据特定的生化信号实现靶向释放，从而有效减少脱靶效应，提升治疗的精准度。这种技术在癌症治疗、衰老细胞清除疗法（senolytic therapy）、基因治疗以及再生医学等众多生物医学领域都展现出巨大的应用潜力。通过对相关文献的广泛研究，研究者对病理区域内的内在物理化学差异进行了全面分类，并探讨了这些差异在药物递送、前药激活、成像以及诊疗一体化（theranostics）等方面的应用，为未来个性化医学的发展提供了重要的理论支持和实践指导。
二、病理区域微环境的特征剖析
- 肿瘤微环境的独特性质：肿瘤微环境呈现出多种特殊的性质，包括肿瘤组织的酸性环境（pH 6.5 - 7.2），内体（pH 5.5 - 6.8）和溶酶体（pH 4.5 - 5.5）的酸性更强。肿瘤细胞外存在多种酶，如蛋白酶、磷酸酶和糖苷酶等；细胞溶质和细胞核中的谷胱甘肽（GSH）水平升高；线粒体中存在活性氧（ROS）；溶酶体中含有降解酶。这些变化相互关联，例如肿瘤细胞的快速增殖会导致局部氧气供应不足，形成低氧环境，进而引发细胞行为的改变，影响肿瘤的生长和发展。
- 癌症与其他疾病的化学环境关联：许多证据支持 Rudolf Virchow 的假设，即感染和慢性炎症与多种癌症的发生密切相关。炎症反应会产生 ROS、活性氮物质（RNS）以及生物活性信号分子，促进癌细胞的增殖、存活和血管生成。同时，炎症组织与致癌组织共享一些内在的生化刺激，如氧化应激、酸性 pH 值和过表达的酶，这为开发刺激响应性纳米工程系统提供了基础。此外，癌症与衰老也存在紧密联系，细胞衰老与癌症的发生发展相互影响，衰老细胞中溶酶体 β - 半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性升高，可作为识别衰老细胞的重要标记。
三、可裂解系统的化学策略
- 酶响应性可裂解共轭
- 肽键连接：含有酶响应系统的肽键可以通过多种材料构建，如聚合物、两亲分子、纳米颗粒和水凝胶等。这些材料结合特定酶可切割的肽，能够实现药物或成像剂的选择性激活和释放。例如，在治疗肺部细胞内感染时，使用组织蛋白酶可切割的缬氨酸 - 瓜氨酸（Val-Cit）连接子的大分子前药平台，能实现药物的可控释放，增强抗菌效果。此外，研究人员还开发了多种新型肽连接子，以解决传统连接子易被细胞外酶过早切割的问题。
- 酯键连接：设计对脂肪酶响应的材料，如在聚合物或两亲分子系统中引入脂肪酶可切割的酯键，在脂肪酶存在时，连接疏水和亲水部分的酯键会发生切割，导致材料分解并释放负载的药物。Sharma 等人利用 PEG 和甘油基嵌段共聚物开发了脂肪酶响应的药物递送纳米载体，在癌症成像和治疗方面展现出良好的应用前景。
- 糖苷键连接：利用糖苷酶介导的切割策略，可设计用于消除癌症和衰老细胞的前药和纳米载体。SA-β-gal 的过表达可用于设计半乳糖功能化的前药，选择性地靶向衰老细胞。多种衰老细胞裂解药物已被修饰为半乳糖功能化前药，在老年小鼠模型中表现出对衰老细胞更高的选择性。同时，也有许多基于 SA-β-gal 的成像探针被开发出来，用于检测衰老细胞。
- 谷胱甘肽响应性可裂解共轭
- 二硫键连接：由于癌细胞内的 GSH 浓度高于健康细胞，且细胞内的还原环境由 GSH 等维持，因此引入对 GSH 浓度响应的化学基团是设计 GSH 响应材料的有效策略。二硫键是构建纳米结构的常用连接子，在血液循环和细胞外环境中稳定，但在细胞内还原剂的作用下容易断裂。例如，Braatz 等人研究了 GSH 触发的酪氨酸激酶抑制剂抗癌药物舒尼替尼在生物可降解聚甘油 - SS - 聚酯胶束中的释放，发现胶束能显著增强舒尼替尼的抗癌效果。此外，二硫键还被用于构建具有荧光共振能量转移（FRET）特性的光敏剂，用于成像引导的靶向光动力治疗。
- 二硒键连接：受二硫键氧化还原敏感性的启发，二硒键也被用于构建 GSH 响应材料。由于硒的原子半径较大、电负性较弱，含硒化合物的键能低于含硫化合物。研究表明，含二硒键的材料，如纳米颗粒和前药，可作为有效的氧化还原响应性药物递送系统。例如，Hailemeskel 等人合成的含二硒键的 PEG - PCL - PEG 三嵌段共聚物，在 GSH 存在下可实现胶束的解离和药物释放。
- 其他 GSH 响应连接子：除二硫键和二硒键外，还有其他 GSH 响应的连接子被开发出来。例如，Chen 等人开发的近红外（NIR）荧光探针 CyA - cRGD，通过 GSH 响应的硝基偶氮芳基醚基团连接荧光报告基团和肿瘤靶向单元，可实现对 GSH 的高选择性检测。在医学气体治疗中，也有多种 GSH 响应的一氧化氮供体 / 前药被开发出来，用于癌症治疗。
- 氧化还原响应性可裂解共轭
- 硫代缩醛和硫缩酮连接：含硫缩酮的聚合物是研究较多的 ROS 可降解材料，硫缩酮键在 ROS 作用下会断裂，导致材料降解。例如，Farokhzad 等人制备的含硫缩酮连接的聚前药（聚米托蒽醌），可自组装成纳米颗粒，在体内实验中显示出良好的肿瘤靶向性和抗癌效果。Xu 等人合成的含硫代缩醛的 ROS 响应性聚合物胶束，还引入了肉桂醛来增强 ROS 响应效果，进一步提高了抗癌疗效。
- 硼酸酯连接：芳基硼酸酯对 H2O2具有高选择性，在 ROS 丰富的环境中，硼酸酯会被氧化，导致连接的化合物释放。Kim 等人设计的含硼酸酯的诊疗前药，可在 H2O2环境中激活荧光团并释放抗癌药物，用于肿瘤的治疗和成像。此外，还有基于硼酸酯的纳米载体被开发出来，用于递送 siRNA 等生物分子。
- 其他氧化还原可裂解连接子：含有多个连续脯氨酸残基的肽在 ROS 存在下会发生裂解，可用于构建纳米载体递送疏水性货物。Cheng 等人开发的 NIR 荧光探针 CyTF 和 CyBA，能够区分瘢痕疙瘩成纤维细胞和正常热成纤维细胞，为疾病的诊断提供了新的工具。
- 缺氧触发可裂解共轭
- 偶氮键连接：缺氧条件下，癌细胞的氧浓度较低，一些酶会被激活。偶氮键在缺氧环境中可被裂解，从而实现药物或成像剂的激活。例如，Verwilst 等人开发的缺氧可裂解前药 5A，通过偶氮键连接罗丹明，在缺氧条件下偶氮键断裂，激活前药并增强荧光信号。Kiyose 等人开发的基于花菁的 NIR 探针，可用于成像缺氧细胞环境和实时监测小鼠体内的缺血情况。
- 醌类部分：醌类部分在缺氧条件下可发生电子重排，导致共价键断裂，从而开发出缺氧触发的前药。例如，将喜树碱（CPT）连接到醌丙酸上形成的缺氧敏感前药，在细胞内具有显著的细胞毒性，并可监测药物的激活过程。
- 硝基基团：硝基取代的芳香化合物可被硝基还原酶在缺氧条件下还原，用于构建缺氧激活的生物成像和治疗探针。Kumar 等人开发的缺氧敏感前药共轭物，结合了抗癌药物 SN38、靶向生物素和缺氧敏感的自裂解连接子，在体内实验中显示出对实体瘤的有效诊断和治疗效果。
- pH 响应可裂解共轭
- 席夫碱连接：含席夫碱连接的聚合物在酸性介质中，席夫碱会水解，导致药物释放。例如，Yu 等人利用亚胺键将阿霉素（DOX）连接到 PLA 基聚合物上，构建了 pH 可降解的刷状聚合物，在酸性条件下具有快速的药物释放动力学。亚胺键还被用于修饰介孔二氧化硅纳米颗粒的表面，实现 pH 响应的药物释放。此外，腙键也是常用的席夫碱功能基团，用于构建 pH 响应的药物递送系统，同时还可用于构建荧光探针，实时监测 pH 介导的裂解过程。
- 缩醛和缩酮键：缩醛和缩酮键作为 pH 可裂解的功能基团，被广泛用于构建 pH 响应的药物递送纳米载体。这些键可引入聚合物主链或作为连接药物与聚合物或纳米颗粒的键。例如，Hu 等人合成的含缩醛基团的三臂星型嵌段聚合物，可自组装成胶束，实现 DOX 的 pH 介导释放。Chen 等人开发的含酸可裂解三甲氧基苄叉缩醛部分的胶束，在酸性条件下可实现高效的药物释放。
- 原酸酯连接：基于聚原酸酯的 pH 敏感聚合物纳米颗粒用于靶向药物递送的研究相对较少，因为其合成策略有限。Li 等人合成的糖基聚原酸酯聚合物，显示出良好的 pH 响应性，在 pH 7.4 时稳定，在酸性条件下快速降解。
- 顺乌头酸基：顺乌头酸基是一种酸可裂解的连接子，可用于设计 pH 响应的聚合物 - 药物共轭物和药物载体。例如，Zhu 等人报道的基于聚酰胺胺（PAMAM）的 DOX 前药，通过顺乌头酸基连接 DOX，在酸性肿瘤微环境中可实现 pH 依赖的药物释放。此外，顺乌头酸基还被用于构建 siRNA 递送系统和诊疗剂，在癌症治疗和诊断方面具有潜在的应用价值。
- 其他 pH 可裂解连接子：基于硼酸功能化聚碳酸酯的聚合物 - 药物共轭物，可用于 pH 响应的含二醇药物的递送，展现出良好的药物递送性能和通用性。
四、面临的挑战与限制
尽管生化触发可裂解共轭技术在精准医学领域展现出巨大的潜力，但在临床应用中仍面临诸多挑战。设计能够特异性靶向特定病理区域的化学共轭物是一项复杂的任务，引入可裂解连接子可能会改变系统的活性，且化学构建块可能与生物系统不兼容，导致临床试验结果不理想。此外，维持生物分子（如抗体、货物、蛋白质和荧光标签）的活性也颇具挑战，确定最佳的连接子长度也存在困难，因为它直接影响配体 - 靶标相互作用的可能性。同时，设计的系统及其副产物可能对活细胞产生毒性，引发严重的安全问题。
五、未来展望
随着对疾病机制的深入理解和技术的不断进步，生化触发可裂解共轭技术在未来精准医学领域具有广阔的应用前景。在靶向药物递送方面，针对特定分子疾病特征设计的共轭策略有望实现更高效、个性化的治疗。在个性化医学中，该技术将更好地融入个体化治疗方案，提高治疗效果并减少不良反应。先进的成像和诊断技术将受益于具有生化可裂解连接子的共轭物，提高疾病检测的特异性和灵敏度。诊疗一体化领域，生化可裂解共轭技术将实现治疗效果的实时监测，帮助临床医生做出更科学的治疗决策。此外，创新的共轭策略在联合治疗中的应用，有望实现精确的顺序药物释放，提高治疗效果并降低耐药性。
