 一氧化碳（CO）同NO和H2S一样，是哺乳动物体内非常重要的气体信号分子。近年的研究表明，CO是一个很有潜力的抗肿瘤候选药物。目前，多项临床研究已经证明了低剂量CO气体给药的安全性，但气体CO作为药物使用在剂量控制和靶向输送方面仍存在许多的局限性。CO前药的研发是解决CO剂量控制何靶向递送十分有效的策略。然而，CO前药的研发是一项极具挑战的课题，因为CO前药的激活通常涉及C-C键的断裂。此外，现有CO前药通常很难进行释放速率的调节。因此，CO的释放速率是否对其药理活性存在影响也不得而知。ROS在肿瘤细胞中的水平较高，常被用于前药在肿瘤部位的特异激活。因此开发出一种能够响应内源性ROS的CO前药一直是药物化学工作者所关注的热点。近日，苏州大学药学院季兴跃教授和柯亨特副教授联合佐治亚州立大学的王炳和教授共同开发出一种新型的 ROS 激活的无金属 CO 前药，其不仅可以响应多种不同的 ROS 选择性的释放 CO ，而且还可对CO的释放速率进行调节，生成的副产物明确无毒。相关结果发表在J. Med. Chem.（DOI: 10.1021/acs.jmedchem.3c01056）。降冰片二烯-7-酮结构结构具有不稳定性，它能够在温和的条件下自发释放CO。有趣的是，其结构类似物降冰片-2-烯-7-酮具有热稳定性。作者分别在降冰片-2-烯-7-酮5,6位安装不同的吸电子基和离去基团，根据离去基团在ROS作用前后离去性能的差异设计出ROS响应释放的CO前药。具体来说，由于烷巯基的离去性能较差，前药在生理条件下本身不会或者缓慢的发生消除反应释放CO（图1，Route A）；在ROS存在下，差的离去基团（-SR）被氧化成好的离去基团（-SOR或-SO2R），进而快速的发生消除反应生成不稳定的中间体降冰片二烯-7-酮瞬间释放CO （图1，Route B）。并且可通过调节5位的吸电子基团来调节CO的释放速率。图1：ROS敏感的CO前药的设计策略示意图。EWG：吸电子基；LG：离去基团（图片来源：J. Med. Chem.） 为了确定最佳的ROS敏感的CO前药，作者合成了不同的吸电子基（-CHO, -COOR, -CONR，-CN)和离去基团-SR之间相互组合的一系列CO前药。作者首先通过HPLC来测试这些CO前药在有无H2O2存在下的CO释放动力学。结果表明，正如设计的那样，前药7a在有无H2O2存在下CO释放的半衰期分别为3.4 h和81.6 h。前药8a由于酯基的吸电子能力较差，因此在有没有H2O2存在的条件下都不会释放CO。前药14a在没有H2O2存在条件下也不会发生beta消去反应释放CO，而在H2O2存在条件下，14a会缓慢的发生beta消除反应释放CO，半衰期大约为12 h。对比7a和14a的结构可发现，二者释放CO的机理一致，结构高度相似，但是它们释放CO的速率却截然不同。因此，作者选用这两个CO前药进行后续的研究。图2. CO前药7a，8a和14a的化学结构（图片来源：J. Med. Chem.） 图3：A)肌红蛋白实验；B)7a和14a 响应H2O2 释放CO；C，D) 7a和14a在不同ROS作用下的CO释放。（图片来源：J. Med. Chem.） 作者通过肌红蛋白实验和CO检测器分别证明7a和14a能够在H2O2的作用下释放CO。除了H2O2外，7a和14a还能响应NaClO以及ONOO-释放CO（图3C-D）。接下来作者使用CO荧光探针，在体内外证明了7a和14a能够在细胞水平和肿瘤组织中响应ROS释放CO。同时，如预期的那样，7a释放CO的效率要明细高于14a。最后作者在小鼠乳腺癌模型上研究了7a和14a的抗肿瘤活性，结果表明，在10 mg·Kg-1的剂量下，7a和14a与对照组相比具有明显的肿瘤抑制作用，并且7a的抗肿瘤效果要明细强于14a（图4）。这些结果表明，CO的释放速率对抗肿瘤活性有直接的影响，并且从目前的数据来看，释放速率与抗肿瘤活性之间存在正相关。但是，这是否意味着CO的释放速率越快越好还需要进一步更为系统的研究。图4：A)4T1细胞成像实验；B) 小鼠肿瘤切片实验；C) 体内抗肿瘤实验；D)小鼠生存曲线（图片来源：J. Med. Chem.） 综上，作者开发了一种新型的 ROS 激活的无金属 CO 前药，其不仅可以响应ROS释放 CO ，而且还能进行有效的速率调节。利用这些CO前药，初步证明CO释放速率对抗肿瘤活性具有直接的影响，这对设计CO前药用于肿瘤治疗具有非常重要的指导意义。该工作近期发表在J. Med. Chem.（DOI: 10.1021/acs.jmedchem.3c01056）。苏州大学硕士研究生李章和王永明为共同第一作者，苏州大学的季兴跃教授、柯亨特副教授以及佐治亚州立大学的王炳和教授为共同通讯作者。柯亨特，苏州大学药学院教授，苏州市高等院校、科研院所紧缺高层次人才。主要从事用于肿瘤精准诊疗的光治疗纳米药物及创新药物制剂的研究，已发表SCI论文50余篇，他引4000余次，h-index为32，5篇入选ESI高被引论文。其中，作为通讯作者或第一作者在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Small等期刊发表SCI论文20余篇。主持国家自然科学基金面上项目2项、青年科学基金项目1项，江苏省重点研发计划（社会发展）面上项目1项，参编专著2项，曾获黑龙江省自然科学一等奖。兼职担任中国医药生物技术协会生物医学成像技术分会常务委员兼秘书长、中国生物医学工程学会生物医学光子学分会青年委员、Advanced Ultrasound in Diagnosis and Therapy期刊青年通讯编委。季兴跃，苏州大学药学院特聘教授。2011年于中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所获博士学位，毕业后留所工作任助理研究员，2013年12月至2018年10月 在佐治亚州立大学化学系从事博士后研究，并于2018年11月加入苏州大学药学院任特聘教授，博士生导师。至今以第一及通讯作者已在Chem. Soc. Rev., Nature Chem, Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., J. Med. Chem. 等杂志发表文章30余篇。主要研究领域包括：气体信使小分子前药以及生物正交前药的研发。
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