众所周知 ， 药物治疗是医学治疗中最重要的一环 。 然而通常情况下 ， 由于药物自身的低选择性 ， 系统化应用药物需要在药物的疗效与其自身的副作用与耐药性之间反复衡量 。 令人担心的是 ， 系统化的药物治疗和抗生素的过度使用正逐步加重细菌和抗生素的耐药性 。 或许 ， 在不久的将来 ， 数以亿计的人们的生命甚至将会受到这些耐药的细菌感染的威胁 。 当然 ， 这一问题可以通过增加药物的选择性来减少或规避 ， 例如借助辅助物将药物输送到特定的位点 ， 亦或是通过外界或者内界刺激来激活释放药物 。 对于后一种方法而言 ， 在大部分情况下我们仍然面临着药物自身存在低选择性、低药载容量、传输中会发生药物泄漏以及对身体有副作用等问题的情况 。 针对于此 ， 研究新的刺激方法和理论来有效地解决这些问题 ， 实现药物活性区域的远程控制仍然是目前非常炙手可热的研究热点 。
【自然\u001a化学|《自然?化学》：开山之作！超声载药释放取得新突破！】当谈到通过外界刺激法控制药物活性时 ， 利用光与声波理所当然地成为了比较常用的刺激方法 。 在光药理学领域 ， 光是时间与空间上对药物活性施加精确控制的主要媒介 。 这项技术存在渗透深度低、光热对健康的细胞会带来损伤以及有紫外线毒性的问题 。 而在另一方面 ， 超声波在临床医学中也已经能够做到在时间与空间上对药载体施加精确的控制 ， 并能做到对组织渗透深度和能量的精确把控 。 的确 ， 非入侵性的超声波所伴随的声波、辐射压力、所产生的热量等都有可能会导致组织之间发生相互作用 ， 并且声波无法准确选择功能性分子组合 。
另一方面 ， 机械化学是能够将超声波应用在控制分子层面的重排上的 ， 同时它也可以指定断裂位点上的成键 。 正常情况下的实现方法是通过将机械能应用在大分子骨架上 ， 从而将其转化为机械化学游离键 ， 随之形成之后的机械响应聚合物（mechanophore） 。 迄今为止 ， 在高分子机械化学领域的研究主要聚焦在理解机械能所诱导的化学转变和其对材料性质的影响 ， 而分子键断裂激活药物分子这一领域却没有受到足够的关注 。 最近 ， 厦门大学霍帅东教授在这一领域取得重要研究进展 ， 以“Mechanochemical bond scission for the activation of drugs”为题发表在最新一期的《Nature Chemistry》上 ， 并被自然期刊以专题新闻“The liberating force of sound”进行了报导 。
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他们创造了适用不同药物、不同体系的三种不同的超声波断裂激活释放药物的方法（如图1） ， 主要表现为通过超声波诱导断裂共价键和非共价键 ， 从而激活药物 。
·第一种方法选用了二硫基团为中心的聚合物 ， 通过其β位点二硫基团与碳酸键耦合连接的方法 ， 从而携带一种单萜生物碱类抗癌药物-喜树碱（图1a） 。 超声波诱导辐射可以将二硫基团断裂 ， 激发分子内的环化并且释放激活药物 。
·第二种方法则主要凭借RNA核酸配适体与其对应靶点的强烈的结合力 。 他们合成了一种高相对分子质量的包含核酸适体重复单元的聚合核酸配适体 ， 并与抗生素新霉素B或是巴龙霉素以非共价键的形式相结合（如图1b） 。 超声波可以诱导断裂这种非共价键形式的紧密结合 ， 并引发分子的解集和RNA中磷酸双脂键的断裂 ， 从而激活药物的释放 。
·第三种方法运用了含万古霉素的聚合物和其以氢键为主的肽键靶序列纳米分子进行了超分子结合 ， 引导形成力敏感的前体药物组装纳米分子（图1c） 。 并且 ， 作者开发了两种不同的结合方式（将含肽键的金纳米分子与万古霉素的聚合物或是含万古霉素的金纳米颗粒） ， 并对比了它们分别由超声波引导断裂并激活释放药物的纳米颗粒的具体情况 。
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图 1：超声波诱导激活药物的三种方法
【第一种方法：二硫基团聚合物的超声波断裂激活药物】
作者首先通过可控自由基聚合方法合成了两种以寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（POEGMA）为主的聚合物：一种为聚合物PUMB（相对分子质量109.5 KDa, 分散系数1.56） ， 携带荧光标记伞形酮（UMB） ， 该聚合物作为参照对象；另外一种则为二硫基团为中心位的聚合物PCPT（83.7 KDa, 分散系数1.46） ， 携带抗癌药物喜树碱 。 位于聚合物中心的药物可以保护自身并且降低自身的活性 。 首先 ， 作者借助化学方法断裂PUMB中的二硫基团来测试并证实了系统的激活能力 ， 键的断裂会释放自由的荧光标记伞形酮 ， 随后引起荧光吸收峰的增加 。 在这之后 ， 作者验证了PUMB聚合物在超声波的放射下 ， 在4个小时内达到了80%的自由伞形酮产率 。 从而确认了该系统在超声波放射下的激活释放分子能力 。 随后 ， 作者又针对海拉细胞 ， 进行了MTS细胞增殖测定法实验 。 通过与一系列变量分子做对比 ， 作者探究了聚合物PCPT的药物活性 。 相比于CPT分子或是CPT引发剂 ， 聚合物PCPT展现出了更高的IC50值 ， 证明了聚合物随机缠绕在药物周围会降低药物的活性 。 并且 ， 在移除激活后的喜树碱药物后 ， 其POEGMA聚合链和超声波照射之后所留下的聚合链PCPT分子并没有体现出明显的毒性 ， 这也就从侧面证实了该药物载体本身在体内并没有毒性 。 最终 ， 作者对聚合物PCPT溶液进行了超声波照射 ， 然后将其溶解在细胞培养液中 ， 并用来培养海拉细胞 。 实验证明 ， 细胞的存活比例与超声波的照射时间成反比 ， 这与之前的控制实验相照应 ， 证明了超声波能够成功激活并释放喜树碱 。
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图 2：第一种方法的实验分析 。 图a为PUMB随着超声波照射时间的荧光吸收峰谱 。 图b为随着超声波照射时间变化下的计算出的PUMB和相对引发剂释放比例 。 图c为MTS细胞增殖测定实验中不同变量分子浓度与细胞存活率的关系 。 图d为PCPT的MTS细胞增殖测定实验 ， 图中反应了不同浓度在不同时间段的细胞存活率 。 图e为PCPT在超声波照射之前和之后的凝胶渗透色谱实验数据和质谱 。
【第二种方法：在RNA核酸配适体中激活药物】
第二种方法主要依赖于利用超声波同时断裂RNA链中非共价键和磷酸双脂键共价键 。 首先 ， 他们通过滚环式复制法和RNA模板编码R23 RNA适体 ， 合成出带有环状结构的聚合RNA核酸适体 。 之后 ， 通过将其与带有Cy3荧光标点的巴龙霉素抗生素共同培养 ， 形成稳定的带有荧光标点的巴龙霉素聚合RNA适体混合物（Cy3-Paromo@PAPT） 。 实验证明 ， 在超声波的照射下 ， 80%的抗生素都能够在30分钟之后被激活 。 于此同时 ， 对于另外一种抗生素新霉素B与适体形成的混合物而言 ， 作者将超声波实验设置在了有细菌存在的情况下 ， 来衡量在激活药物抗菌（金葡菌）时所产生的最小抑菌浓度 。 结果证明了在结合作用发生时 ， 无论是巴龙霉素抗生素与适体结合所形成的混合物 ， 或是与多聚适体结合的混合物 ， 或是多聚适体自身 ， 它们都不存在抗菌性 ， 这些都从侧面反应出了结合和稳定药物的作用之强 ， 而且作者发现巴龙霉素抗生素与多聚适体结合的最小抑菌浓度在不断减小 ， 最终在30分钟之后达到了与巴龙霉素抗生素自身相同的最小抑菌浓度 ， 这证明了非共价键与磷酸共价键的断裂会引发药物的激活与释放 。 最终 ， 作者通过染色实验证实了抗生素几乎杀死了所有的细菌 ， 并且这种效应只在超声波照射之后才会发生 。
【第三种方法：在组装的纳米分子中激活药物】
第三种方法主要凭借万古霉素和肽键靶序列超分子结合 ， 来引导形成力敏感的前体药物自组装纳米分子 。 键的结合作用在两种分子的表面 ， 以便于之后的超声波断裂 。 首先 ， 作者制备了含有柠檬酸盐作为保护层的金纳米分子 ， 并在这之后与肽键（DADA）通过化学键作用连接 。 于此同时 ， 作者将万古霉素的基团功能化并连接上聚合引发剂 ， 从而实现寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯的铜催化可控自由基聚合 。 在这之后 ， 作者通过将DADA连接的金纳米分子与万古霉素在尾端的聚合物相连接 ， 形成聚合物纳米分子的组装 。 与之前第二种观察的现象类似 ， 在超声波的作用下 ， 最小抑菌浓度值随着时间的变化在不断减小 ， 证实了超分子键的断裂和药物的激活 。 在这之后 ， 为了实现在低药物浓度下的额外的一种激活方式 ， 作者分别合成了含有肽键（DADA）和万古霉素的金纳米分子 ， 并将两种纳米分子进一步组装 。 最终 ， 作者也通过检测最小抑菌浓度的方法 ， 检测了超声波断裂超分子键作用的能力 。 实验发现 ， 在这种情况下 ， 最终所得的最小抑菌浓度值几乎与万古霉素分子自身相同 ， 远远低于之前的所合成的含万古霉素的聚合物 。
【总结】
总体而言 ， 作者详细阐述了三种完全不同的实现超声波激活药物释放的方法 。 通过研究不同的对象、不同的分子呈现形式 ， 运用了不同的测试方法 ， 精辟而有力地证明了每种方法的优势和有效性 。 该研究毫无疑问地为超声控制载药释体打开了一扇新的大门 。
作者简介
霍帅东教授个人简介（课题组网页www.huo-lab.com）：霍帅东博士 ， 主要研究领域有纳米药物与生物系统的作用机制研究以及智能纳米药物的创新设计 。 在2020年博士后出站后 ， 在厦门大学担任教授职位 ， 成为博士生导师 ， 并被评为厦门大学“南强青年拔尖A类人才” ， 迄今已在Nature Nanotechnology ， Science Advances ， PNAS ， Cancer Research ， Advanced Materials ， ACS Nano ， Nano Letters ， Biomaterials等国际学术期刊上发表学术论文30余篇 ， 其中9篇引用次数过百（4篇ESI高被引论文） ， 个人总引用次数大于2300 ， H指数为19（谷歌学术2019年12月数据） 。
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点 ， 作者水平有限 ， 如有不科学之处 ， 请在下方留言指正！
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