三苯基膦鹽在腫瘤診斷和治療中的應用

張海峰 安璐

DOI：?10.3969/J.ISSN.1000-5137.2024.01.018

收稿日期：?2023-11-01

基金項目：?國家自然科學基金（22377078）

作者簡介：?張海峰（1998—），?男，?碩士研究生，?主要從事碘化銅簇合物在癌癥治療等方面的研究. E-mail：1739045156@qq.com

* 通信作者：?安?璐（1987—），?女，?高級實驗師，?主要從事生物無機材料的設計合成及其生物安全性評價等方面的研究. E-mail：anlu1987@shnu.edu.cn

引用格式：?張海峰，?安璐. 三苯基膦鹽在腫瘤診斷和治療中的應用?［J］. 上海師范大學學報?（自然科學版中英文），?2024，53（1）：137?145.

Citation format：?ZHANG H F，?AN L. Application of triphenylphosphonium salt in tumor diagnosis and treatment ［J］.Journal of Shanghai Normal University （Natural Sciences），?2024，53（1）：137?145.

摘??要：?針對靶向亞細胞器的治療是腫瘤治療的一個新興研究方向，其機理是通過損傷亞細胞器或影響亞細胞器周圍的環境，使細胞凋亡. 而在眾多的亞細胞器中，線粒體是亞細胞的能量工廠，可以為亞細胞的各項生命活動提供能量，因此靶向線粒體治療是亞細胞器治療的熱點之一. 此外，線粒體還參與細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程. 誘導線粒體損傷或者影響線粒體內表達物質的正常供應關系，對亞細胞生存狀態有巨大的影響. 三苯基膦（TPP）鹽可以利用線粒體膜電位差來實現線粒體靶向功能，是最廣為接受和應用較多的線粒體靶向小分子. 為了進一步增加其功能的多樣性，往往會在TPP烷基鏈的尾端進行設計，實現腫瘤的高效診斷和治療. 文章綜述了近年來TPP鹽在腫瘤診斷和治療領域中的研究進展，以及在未來所面對的挑戰.

關鍵詞：?三苯基膦（TPP）鹽；?線粒體靶向；?腫瘤診斷；?腫瘤治療

中圖分類號：?O 614 ???文獻標志碼：?A ???文章編號：?1000-5137（2024）01-0137-09

Abstract：?Subcellular targeted therapy is a new research direction of tumor therapy. It can cause apoptosis by first damaging subcellular organelles or affecting their surrounding environment. Among numerous subcellular organelles，?mitochondria are the energy factories of subcellular cells，?which can provide energy for various life activities of subcellular cells. Therefore，?targeted mitochondrial therapy is one of the hot spots in subcellular organelle therapy. In addition，?mitochondria are also involved in processes such as cell differentiation，?cell information transmission，?and cell apoptosis. It can be seen that inducing mitochondrial damage or affecting the normal supply of substances expressed within mitochondria has a huge impact on the subcellular survival status. Triphenylphosphonium （TPP）?salt is the most widely accepted and widely used mitochondrial targeting small molecule，?which uses mitochondrial membrane potential difference to achieve mitochondrial targeting function. In order to further increase its functional diversity，?the tail end of TPP alkyl chain is often designed to achieve efficient diagnosis and treatment of tumors. This article reviews the research progress of TPP salt in the field of tumor diagnosis and treatment in recent years，?as well as the challenges it faces in the future.

Key words：?triphenylphosphonium（TPP）；?mitochondrial targeting；?tumor diagnosis；?tumor therapy

0 ?引?言

癌癥一直是對人類健康威脅最大的疾病之一，具有極高的致死率和病變部位轉移性的特性，治療難度極大. 這促使著人們研究更為先進的治療方式，包括放療（RT）［1］、光熱治療（PTT）［2］和光動力治療（PDT）［3］等. 這幾種方式主要是利用選擇性侵入和特異性治療的方式進行腫瘤治療，并在臨床應用方面已經取得了極大的進展［4］. 在治療的過程中會面臨射線輻射、光穿透力較弱等問題，一定程度上影響了治療的效果. 通過深入研究腫瘤微環境（TME）與正常細胞器的關系，研究人員發現內源性刺激是腫瘤治療中的一個新概念. 內源性刺激主要是打破TME或癌細胞內部的動態平衡，如酸性pH值、葡萄糖、谷胱甘肽（GSH）和一些特定的酶等，導致癌細胞凋亡.

利用亞細胞器靶向技術促進內源性刺激是目前的研究熱點之一. 亞細胞靶向技術的作用途徑大致可分為兩方面：一方面是將納米粒子帶入到亞細胞器中，增強內源性刺激，提升其治療效果；另一方面是直接破壞亞細胞器的結構或者功能來提高治療效果. 根據亞細胞器的種類，亞細胞靶向技術大致也可以分為溶酶體靶向治療、細胞核靶向治療、線粒體靶向治療和內質網靶向治療等. 線粒體是能量工廠，有很多重要的細胞參數是由線粒體所決定的，如果能影響其參數變化，必將會影響到細胞的能量供應、細胞信號傳遞和細胞凋亡等，因此線粒體靶向治療是熱點之一. 三苯基膦（TPP）鹽可以利用自身的正電荷與線粒體膜的負電位之間的電位差進行靶向，使其在線粒體膜表面富集. 隨后，TPP鹽會影響線粒體能量的產生，干擾線粒體膜的結構和功能，并可能導致線粒體的損傷. 在某些情況下，它可以誘導線粒體向壞死或凋亡途徑轉化，促進細胞死亡. 因此，TPP 鹽可以作為一種線粒體靶向分子，為治療腫瘤提供了新方向［5］.

1 ?TPP鹽靶向線粒體的作用原理

線粒體是由兩層膜包被的細胞器，其直徑在0.5～1.0 μm. 線粒體膜由磷脂雙分子層組成，分別是起到細胞器界膜作用的線粒體外膜（OMM）和負擔生化反應的線粒體內膜（IMM）［6］. 而IMM的膜電位高達150～180 mV（內部為負）［7］. 根據線粒體膜的特點，想要進入線粒體就需要具備親脂性和陽離子兩個條件. 因此，親脂性陽離子材料可以很容易地通過磷脂雙層，達到膜電位響應，積聚到線粒體基質中［8］. TPP鹽在生物磷脂膜上的作用機理已經被廣泛研究. TPP鹽的化學結構中含有3個苯基，使整個分子具有很強的脂溶性. 同時，TPP鹽中的磷原子帶有的正電荷可以離域到3個苯環上，形成離域正電荷，促使TPP鹽穿越磷脂膜. 這兩大特征使其成為實現線粒體靶向的基本結構單元［9］.

靶向線粒體的大致機理如圖1所示，與細胞外介質相比，質膜電位（通常為30～40 mV）導致胞質中陽離子濃度增加3～5 倍. 線粒體膜電位（120～180 mV）進一步使線粒體基質中的陽離子濃度增加100～1 000倍. 因此，與細胞外介質相比，陽離子化合物在線粒體基質中的濃度可以是100～1 000倍或更多［10］.

圖1 由質膜和線粒體膜電位驅動的TPP鹽連接化合物的細胞攝取機理圖

2 ?TPP鹽在腫瘤檢測中的應用

腫瘤具有復雜性、多樣性和異質性，腫瘤的精確檢測一直是一個難題. 隨著醫學影像技術的快速發展，如熒光成像（FI）、核磁共振成像（MRI）、超聲成像（US）、計算機斷層掃描成像（CT）、拉曼（Raman）成像等技術，使腫瘤的精確定位與檢測成為可能［11］.

2.1 FI

FI已廣泛應用于臨床前生物醫學研究、臨床病理學檢查和FI引導的外科手術，具有成本低、易于實施、對生物樣品的光損傷小和檢測靈敏度高的特性. FI的生物醫學應用高度依賴于熒光染料的發展［12］. 熒光染料的最關鍵特征是吸收/發射分布、吸收系數、量子產率、斯托克斯位移、化學性質和光化學穩定性. CHEN等［13］設計并合成了一系列具有近紅外發射（＞650 nm）、長斯托克斯位移（136～198 nm）和小分子量（＜450 Da）的苯乙烯惡唑酮（SODs）染料，其中苯乙烯惡唑酮染料9（SOD9）表現出快速腎排泄和血腦屏障通過性質. 通過SOD9和TPP鹽的偶聯得到SOD9-TPP，可用于活細胞中線粒體進行染色，如圖2（a）所示. 利用正常細胞膜電位（-140 mV）與腫瘤細胞膜電位（-220 mV）之間天然膜電位差，使SOD9-TPP在腫瘤細胞特異性積累，形成腫瘤細胞的特異性成像. 這項工作將SOD9-TPP靜脈注射入小鼠體內，用激光共聚焦內窺鏡確定手術邊界來精確的判斷腫瘤組織的邊界，以減少手術中的創傷，如圖2（a）和2（b）所示.

圖2 SOD9-TPP用于Fl引導手術.（a）SOD9-TPP的合成步驟；（b）共聚焦熒光顯微內鏡成像引導手術示意圖；（c）小鼠靜脈注射SOD9-TPP后，在熒光圖像引導下所解剖出腫瘤部位的共聚焦圖像

2.2 拉曼成像

表面增強拉曼散射（SERS）技術在化學、物理、生物學和醫學等許多領域都具有重要的科學和實踐意義［14］. SERS具有獨特的指紋振動譜和超窄的峰寬等優勢，檢測范圍十分寬泛，可以實現從簡單的芳香族分子到復雜的生物系統的檢測［15-16］. TPP鹽苯環在997，1 027和1 094 cm-1處具有強拉曼特征峰，使基于SERS的拉曼成像成為可能. SUN等［17］用巨噬細胞膜（MCM）包裹偶聯TPP鹽的金納米枝晶（Au ND），構建了一個納米治療診斷平臺（Au ND-TPP@MCM）. MCM可以與人乳腺癌細胞MDA-MB-231選擇性的相互作用；TPP鹽修飾后的納米粒子會在線粒體積累，將PTT和PDT協同所產生的劇毒的單線態氧（1O2）帶入到線粒體中，使線粒體受到損傷，從而導致細胞凋亡. 在腫瘤的成像實驗中，腫瘤的拉曼圖像如圖3（a）所示，在腫瘤內觀察到強拉曼信號分布. 位置I（腫瘤內）的拉曼光譜在997，1 027和1 094 cm-1處顯示3個特征峰，而在位置II（腫瘤外）并沒有檢測出特征峰，如圖3（b）所示. 為了進一步驗證拉曼成像的準確性和TPP鹽的靶向效果，用透射電子顯微鏡（TEM）拍攝具有強拉曼信號分布的腫瘤組織樣品，在線粒體中發現Au ND-TPP@MCM，驗證了損傷線粒體細胞器導致細胞死亡的推論，如圖3（c）所示.

圖3 Au ND-TPP@MCM在腫瘤中的分布.（a）切除腫瘤組織的拉曼成像（顏色歸屬于TPP在997，1 027和1 094 cm-1處的特征拉曼譜帶）；（b）?從切除的腫瘤的位置（I）和（II）獲得的拉曼光譜；（c）?腫瘤橫切面的TEM圖

3 ?TPP鹽在腫瘤治療中的應用

相對于單一治療方式，協同治療方式起到“1+1＞2”的治療效果，已經被廣泛的應用. 具有線粒體靶向的TPP鹽，可以在其烷基鏈的尾端偶聯腫瘤治療藥物或者無機納米粒子，從而表現出不同的功能［18-19］. 近年來，TPP鹽相關的材料已經應用于PTT、PDT、免疫原性細胞死亡（ICD）等眾多的協同治療方式［20］.

3.1 PTT

PTT是利用高光熱轉換效率的材料匯聚到腫瘤細胞中，在紅外光的照射下將光能轉換為熱能，產生局部高溫殺死癌細胞. PTT的效果主要取決于材料的光熱轉換效率，同時還需要考慮材料的吸收波長和激光的選擇. 組織會影響激光的穿透率，往往會影響光熱效果. Au納米粒子是最常用的光熱材料之一，因為其在近紅外區有強烈的吸收，在此區間激光有一定的穿透力［21］. 如PAN等［22］以金納米星-樹突聚甘油（GNSs）為中心，在外表面偶聯上己糖激酶2（HK2）抑制劑3-溴丙酮酸（3BP）、TPP鹽、透明質酸（HA）3種物質，得到GNSs-dPG-3BP/TPP/HA復合納米顆粒. 如圖4所示，該納米復合顆粒利用HA可以與乳腺癌干細胞（CSCs）中過表達細胞表面標記物CD44特異性的結合，提高CSCs攝取納米復合顆粒的能力，再利用TPP鹽的線粒體靶向性能將3BP帶到線粒體附近，與OMM結合的HK2結合，通過抑制CSCs的糖酵解能力，從而抑制線粒體的正常代謝，并通過增加細胞色素C的釋放，進一步誘導細胞凋亡. 同時，增強了GNSs所介導的PTT治療效果，從而達到協同抑制腫瘤的效果，在影響CSCs基因表達的同時還清除CSCs. 這項研究所開發的納米復合顆粒中，通過線粒體靶向和PTT協同治療的方式，為根除CSCs提供了一種新的策略.

圖4 GNSs-dPG的合成步驟、在CSCs中靶向和代謝抑制及PTT協同治療示意圖

3.2 PDT

PDT是在光照下使用光敏劑將氧氣（O2）轉變為劇毒的活性氧（ROS），因其具有一定的選擇性且對正常的組織影響較小而受到關注. 但在TME中本來就是缺氧的狀態，O2含量不足會導致PDT療效較差. 如何解決這個關鍵性問題，是提高PDT效果的關鍵. YUAN等［23］開發了一種線粒體靶向的O2節省器（Mito-oxe）來減輕腫瘤缺氧，以增強PDT. 如圖5所示，該O2節省器由卟啉IX光敏劑（Pplx）用親水聚乙二醇和TPP鹽修飾，制備生物相容性線粒體靶向光敏劑（Mito-pss），再負載線粒體氧化磷酸化抑制劑阿托伐醌（ATO）制備而成. 利用TPP鹽的靶向能力，Mito-oxe可以在細胞攝取后選擇性地在線粒體中積累，在ATO的參與下，抑制線粒體復合物，阻斷氧化磷酸化的電子傳遞，線粒體呼吸被抑制，導致局部缺氧緩解，從而達到增強PDT的效果. 與Mito-pss相比，Mito-oxe在光照射下對低氧腫瘤的治療效果是最佳的. 此項研究所構建的線粒體靶向O2節省器，通過減少O2的消耗提高PDT，為利用TME中有限的物質提高PDT療效提供了一種新思路.

圖5 （a）?Mito-OxE的簡易合成過程和（b）?緩解腫瘤缺氧以增強PDT的機理圖

3.3 ICD

ICD是腫瘤細胞受到外界刺激發生死亡的同時，由非免疫原性轉變為免疫原性而介導機體產生抗腫瘤免疫應答的過程［24］. 眾所周知，腫瘤不僅會逃避免疫微環境，免疫細胞還有可能會保護甚至是促進腫瘤細胞的增殖和擴散. 自ICD現象被發現以來，開發能夠誘導腫瘤細胞ICD的藥物一直是腫瘤免疫治療領域的研究熱點. 遺憾的是，目前可用的ICD誘導劑的數量仍然非常少，且大多數是高毒性化療藥物. 因此，研發低毒性的誘導劑迫在眉睫. JIANG等［25］提出了一種基于磁熱療（MHT）引起的線粒體熱應激的新型ICD模式，通過熱分解方法用鋅錳鐵氧體（ZnMnFe2O4）殼包覆硬磁性鋅鈷鐵氧體（ZnCoFe2O4）核，制備出核殼結構的ZnCoFe2O4@ ZnMnFe2O4納米粒子（MNP）表面接枝精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸（RGD）和TPP鹽，構建出納米藥物平臺MNPs-RGD-TPP（MRT），用于有效地激發腫瘤相關巨噬細胞（TAM）對抗癌細胞. 這種熱應激損傷的線粒體可引起腫瘤細胞的ICD，以釋放損傷相關分子模式（DAMP），激活TAM針對癌細胞的免疫應答，如圖6所示. 此項研究通過線粒體靶向磁熱ICD激活TAM的治療方法，對未來的抗腫瘤免疫治療具有指導意義.

圖6 （a）?MRT的合成示意圖和（b）?線粒體熱應激誘導ICD用于MHT下的癌癥免疫治療的機理圖

4 ?結論與展望

綜上所述，TPP鹽材料被廣泛地應用于腫瘤的診斷和治療，其可以聯合多種診斷和治療方式進行多模態診斷和協同治療. 本文簡要概述了TPP鹽在FI和拉曼成像的腫瘤診斷，以及PTT，PDT和ICD等腫瘤治療中的運用. 對于TPP鹽在腫瘤診斷和腫瘤治療方面的優缺點和發展趨勢總結如下.

在腫瘤診斷方面：利用TPP鹽的親脂性和正電荷進行腫瘤線粒體特異性靶向，具有精確、快速和良好的診斷效果. 但是其特異性選擇腫瘤細胞的效果僅依靠線粒體膜電位的差，會有較大的誤差，因此在生物安全性方面需要著重考慮. 目前，TPP鹽在腫瘤診斷領域的應用還是比較少的，因為其對于尾部偶聯的熒光分子具有一定要求（例如：小分子熒光穩定性、水溶性和細胞毒性小等）. 現在已取得了優秀的研究成果，這個領域是非常值得研究和探索的.

在腫瘤治療方面：TPP鹽介導的靶向線粒體，具有優良的靶向性和可多變的尾部偶聯有機官能團，為協同治療提供了良好的思路. 但是，由于線粒體自身的低滲透壓性，TPP鹽往往只能將藥物攜帶到線粒體表面，并不能被線粒體很好地吸收，因此，對于線粒體損傷效果會變差. 如果想要進一步提升線粒體損傷的效果，需要提前調研攜帶藥物的作用范圍或者合成效果更好的靶向線粒體有機小分子. 隨著亞細胞器的深入研究，相信在不久的將來，靶向線粒體導致線粒體損傷的腫瘤治療會得到快速的發展.

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（責任編輯：郁慧，顧浩然）