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Nat Comm | 超分子陷阱:李春举和孟庆斌团队合作发展了主客体络合耗竭多胺的抗肿瘤新策略
2019-08-23

责编 | 酶美
 

多胺(polyamines)是真核细胞内普遍存在的脂肪胺类分子,主要包括精胺(spermine)、亚精胺(spermidine)和腐胺(putrescine),参与调节一系列生理过程(基因复制、翻译、通路传导以及稳定细胞膜结构等),对细胞的增殖起着关键作用。维持细胞内多胺的水平主要由多胺的生物合成、代谢和转运协同实现【1】。肿瘤细胞内的多胺水平明显高于非肿瘤细胞,目前以此为靶点而设计抗肿瘤药物的策略主要分两种。一是通过抑制多胺生物合成酶,这种策略最具代表性的是2-二氟甲基鸟氨酸(DFMO),它可以使鸟苷酸脱缩酶钝化,从而降低多胺含量。DFMO因细胞代偿机制在临床实验中作为单一治疗试剂效果欠佳【2】。二是设计多胺类似物,影响多胺的代谢,降低细胞内天然多胺的含量。这类化合物需要依赖不同于天然多胺的结构来发挥功效,但结构差异太大易产生严重的细胞毒性。因此,设计安全有效的多胺类似物非常困难【3】

 

2019年8月7日,天津师范大学李春举课题组和军事医学科学院毒物药物研究所孟庆斌课题组(第一作者为上海大学和军事医学研究院毒物药物研究所联合培养的博士研究生陈俊屹)在Nature Communications 杂志发表了题为 Supramolecular trap for catching polyamines in cells as an anti-tumor strategy 的研究论文。文章提出利用超分子大环作为效应分子,通过主-客体作用捕获肿瘤细胞内的多胺,下调其含量从而诱导细胞凋亡的策略,并基于此成功设计合成了一种多肽-柱芳烃缀合物超分子陷阱。体外实验显示该化合物具有广谱的抗肿瘤活性,通过影响多胺合成通路诱导细胞凋亡;作者进一步利用裸鼠移植瘤模型证明了该体系在体内同样能发挥抗肿瘤作用。该研究以多胺为靶点,将大环化合物用功能性多肽片段修饰,使之成为效应分子而不是通常情况下的辅助材料,为开发基于大环化合物的抗肿瘤试剂提供了新策略。

 

 

 

作者设计合成了一种多肽-柱芳烃缀合物“超分子陷阱”(P1P5A,P1=RGDSK(N3)EEEE),其中RGD片段通过与肿瘤细胞表面高表达的整合素受体αvβ3结合,促进缀合物的特异性胞吞;叠氮修饰的赖氨酸可以通过“Click”反应修饰到柱[5]芳烃上;谷氨酸片段可以增加分子的溶解性并提供负电荷从而增强对多胺分子的络合能力;柱[5]芳烃则作为效应分子包结多胺(图1)

 


图1:P1P5A的化学结构和捕获肿瘤细胞内多胺的卡通示意图

 

作者首先通过核磁共振研究了水溶性柱[5]芳烃(CP5A)与多胺之间的络合行为(图2a)。进一步,利用荧光滴定实验测定了缀合物P1P5A与三种多胺之间的键合常数(105~106 M-1)(图2b)。这些结果表明,P1P5A与三种多胺分子之间存在很强的络合能力。

 


图2:主-客体在D2O中的1H NMR图谱(a)和P1P5A与不同浓度精胺混合后的荧光光谱变化和计算结合常数的拟合曲线(b)

 

在体外肿瘤抑制实验中,作者利用CCK-8法检测了P1P5A对几种肿瘤细胞生长的抑制情况,半数抑制浓度(IC50在8到53μM之间。作者利用流式细胞分选和TUNEL实验证明了P1P5A可以诱导乳腺癌细胞MCF-7凋亡(图3a, 3b),且具有浓度依赖性;通过透射电镜(TEM)观察细胞微结构的变化(图3c),发现与P1P5A共孵育,细胞出现皱缩、染色质凝结、内质网腔扩大等现象,表明P1P5A诱导细胞产生了凋亡。

 


图3:流式细胞仪检测MCF-7凋亡情况(a), TUNEL检测细胞凋亡情况(b)和TEM观测细胞微结构变化(c)

 

进一步,作者用荧光标记的P1P5A,利用激光共聚焦显微镜进行胞内分布研究,证明其主要分布在细胞质中。然后,通过HPLC检测了胞内多胺含量,结果显示三种多胺的浓度均未改变(图4b),这是由于主客体包结的作用模式并不会破坏多胺的分子结构。作者又研究了与多胺生物合成相关的几种酶的表达情况,发现在乳腺癌细胞MCF-7中,多胺合成第一限速酶-鸟苷酸脱缩酶(ODC)的水平提高且存在剂量依赖性,而两种胺丙基转移酶的表达并没有改变,作者分析这是因为P1P5A包结put后,由于细胞的代偿机制使得ODC表达量升高,而亚精胺合成酶(SPDS)和精胺合成酶(SPMS)是组成型蛋白,所以并未产生相应变化(图4c)

 

图4:激光共聚焦研究P1P5A在胞内的分布(a), HPLC检测胞内多胺含量的变化(b)和Western blot研究多胺合成酶的含量(c)

 

最后,作者利用MCF-7荷瘤裸鼠模型,研究了P1P5A的体内抗肿瘤活性。图5a显示,Control组的肿瘤在10天后体积增长了6倍,而P1P5A高低两个剂量组均产生了显著的抗肿瘤效果。Control组的瘤重(0.87±0.14 g)较低剂量组(0.45±0.19 g)增加了93%,较高剂量组(0.24±0.14 g)增加了260%,这些结果均表明P1P5A在体内同样具有良好的抗肿瘤活性。作者还通过H&E,TUNEL和CD31免疫组化等方法验证了P1P5A的抗肿瘤活性(图5b)。 

 


综上,本论文的研究团队成功设计合成了一种新型的超分子抗肿瘤治疗试剂,体内外实验均证明其肿瘤抑制活性。本工作不同于广泛报道的超分子药物递送体系,将大环化合物作为效应分子用于肿瘤治疗,该研究将为大环类化合物在肿瘤治疗领域提供了一个新的思路。

 

原文链接
https://doi.org/10.1038/s41467-019-11553-7
 

制版人:Blingbling

 

 

参考文献


 

2. Levin, V. A. et al. Phase III randomized study of postradiotherapy chemotherapy with combination α-difluoromethylornithine-PCV versus PCV for anaplastic gliomas. Clin. Cancer Res. 9, 981-990 (2003).
 3. Casero Jr, R. A. & Marton, L. J. Targeting polyamine metabolism and function in cancer and other hyperproliferative diseases. Nat. Rev. Drug Discov. 6, 373-390 (2007).

 

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