通過微環(huán)境和代謝調(diào)節(jié)選擇性對抗缺氧腫瘤的高效鉑(IV)前體藥物
發(fā)表期刊：Angewandte Chemie International Edition
影響因子：12.959
合作客戶：中山大學(xué)
百趣生物提供服務(wù)：iTRAQ標(biāo)記定量蛋白組（可點擊了解產(chǎn)品詳情）
01.研究簡介
金屬類藥物順鉑是對抗腫瘤的一線武器�？茖W(xué)家們一直在致力于提高鉑類藥物的抗癌效果并減少其副作用。其中鉑(IV)前藥修飾的軸向配體可以與鉑(II)藥物協(xié)同的方式提高療效，包括調(diào)節(jié)親脂性和動力學(xué)，釋放多種生物活性物質(zhì)，抑制DNA修復(fù)途徑等。缺氧和酸性微環(huán)境是實體瘤的主要特征，在促進腫瘤生長、血管生成和轉(zhuǎn)移方面發(fā)揮著重要作用。缺氧和低酸堿度會影響大多數(shù)化療藥物的穩(wěn)定性、滲透性和生物過程，從而降低其抗癌效果。因此，開發(fā)能夠克服缺氧和調(diào)節(jié)微環(huán)境的新型鉑類藥物具有深遠的臨床意義和應(yīng)用價值。
碳酸酐酶IX (CAIX)是一種跨膜蛋白，在發(fā)育中的侵襲性腫瘤組織中過度表達，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外的pH平衡。抑制CAIX不僅是調(diào)節(jié)腫瘤組織特有的缺氧和酸性微環(huán)境的有效途徑，還能干擾腫瘤代謝。
中山大學(xué)的毛宗萬課題組在相關(guān)的研究工作中，對作為鉑(IV)前體藥物的軸向配體引入了CAIX抑制劑(CAIXplatin)（圖1），旨在調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境和代謝，以增強鉑類藥物對腫瘤的治療效果。
圖1 配體L和Pt(IV)-CAIXi復(fù)合物結(jié)構(gòu)
02.設(shè)計優(yōu)勢
1. CAIXplatins可顯著促進癌癥特異性靶向，使得對正常細胞系具有極低的毒性(IC50 >100μM，72 h)，并且在缺氧條件下癌癥選擇性指數(shù)(SI)比順鉑/奧沙利鉑高70~90倍；
2. CAIXplatins對CAIX具有強親和力和抑制活性，可以克服缺氧和酸性微環(huán)境，產(chǎn)生高效的抗轉(zhuǎn)移和抗血管生成活性；
3. CAIXplatins還可以干擾負(fù)責(zé)能量供應(yīng)和生物大分子合成的低氧癌細胞的代謝途徑，顯著增強低氧腫瘤的治療效果。
圖2 CAIXplatin:通過微環(huán)境和代謝調(diào)節(jié)選擇性抗缺氧腫瘤的高效鉑(IV)前藥
03.研究結(jié)果
1. 以順鉑和奧沙利鉑為核心的Pt1和Pt2的CAIXplatins開發(fā)
軸向配體L被設(shè)計為含有苯磺酰胺（CAIX抑制劑的常見活性部分），以順鉑和奧沙利鉑為核心開發(fā)了Pt1和Pt2的CAIXplatins（圖3）。其結(jié)構(gòu)通過元素分析、電噴霧質(zhì)譜、1H、13C、195Pt核磁共振和高效液相色譜進行表征。對Pt1和Pt2 的還原性研究中，發(fā)現(xiàn)Pt1 (8.576min)的HPLC信號隨著對應(yīng)于L (7.813min)軸向釋放的峰的出現(xiàn)而降低，并且?guī)缀跛蠵t1在1小時內(nèi)降低。表明鉑(IV)化合物可以有效地減少鉑(II)藥物的釋放，Pt2在血液循環(huán)中可能比Pt1更穩(wěn)定。
圖3 CAIXplatins合成路線
2. 細胞毒性、抗轉(zhuǎn)移和血管生成作用等藥物有效性的指標(biāo)檢測
作者使用順鉑/奧沙利鉑作為陽性對照，通過MTT法(72 h)評估了L、Pt1和Pt2對各種癌細胞系(三陰性乳腺癌MDA-MB-231、HeLa、HepG2)和正常細胞系的體外細胞毒性。在常氧(20% O2)條件下，Pt1和Pt2對癌細胞株均表現(xiàn)出中等細胞毒性，這與順鉑/奧沙利鉑相似。然而，Pt1和Pt2對正常細胞系的細胞毒性極低(IC50 > 100μM)，癌癥選擇性指數(shù)(SI)比順鉑/奧沙利鉑高8倍（表1）。Pt1和Pt2的癌癥選擇性指數(shù)在缺氧時顯著升高，比順鉑/奧沙利鉑的SI高70~90倍。這些結(jié)果表明，Pt1和Pt2可以克服缺氧，從而選擇性地殺死缺氧癌細胞。
Pt1和Pt2在缺氧的MDA-MB-231細胞(1% O2)中的抗轉(zhuǎn)移和抗血管生成作用相關(guān)的實驗，如傷口愈合試驗，圖4A-B所示，使用Pt1和Pt2處理(5μM，24h)時，細胞遷移被顯著抑制了81.2%和77.0%，而在相同條件下用順鉑和奧沙利鉑處理僅抑制了27.1%和4.5%。這表明Pt1和Pt2具有顯著的抗轉(zhuǎn)移活性。同時，Western blotting (圖4C)結(jié)果表面Pt1和Pt2能夠以劑量依賴的方式顯著降低缺氧的MDA-MB-231細胞(1% O2)中血管內(nèi)皮生長因子的表達水平。
表1 受試化合物對癌細胞系和正常細胞系的細胞毒性
3. 在體外試劑盒和細胞水平上研究Pt1和Pt2對CAIX的抑制作用
在體外試劑盒檢測實驗中，使用人CAIX作為酶源，4-NPA作為底物，Pt1和Pt2都可以有效地抑制CAIX活性（圖5A）。在缺氧的MDA-MB-231細胞(1% O2)中，CAIX的表達不受順鉑/奧沙利鉑的影響，但被Pt1和Pt2以劑量依賴性方式顯著抑制，并且Pt2的抑制效果優(yōu)于Pt1(圖5B)。
為了研究CAIX在維持缺氧和酸性微環(huán)境中的作用，作者對MDA-MB-231細胞的胞外pH值和O2含量進行了檢測。如圖5D-E所示，低氧細胞(1% O2)在Pt1和Pt2 (10 μM)處理后，RDDP紅色熒光基本上被淬滅，表明細胞O2濃度增加，同時發(fā)現(xiàn)HIF-α表達水平降低。細胞O2含量不受順鉑或奧沙利鉑的影響，Pt1和Pt2主要通過CAIXi的作用而不是鉑(II)的作用來克服缺氧。在缺氧（1% O2）條件下培養(yǎng)的MDA-MB-231 細胞pHe值比常氧（20% O2）條件下低，表明缺氧和癌細胞的細胞外酸化之間存在正相關(guān)（圖5C）。以上這些結(jié)果表明，Pt1和Pt2能有效結(jié)合CAIX并抑制其活性，從而克服缺氧并減弱缺氧癌細胞的細胞外酸化，這有助于提高其抗轉(zhuǎn)移和抗血管生成活性。
圖5 Pt1和Pt2對CAIX抑制作用的研究
4. 應(yīng)用iTRAQ標(biāo)記定量蛋白組技術(shù)（由百趣生物提供）研究Pt1/Pt2影響蛋白表達量的變化
從Pt1和Pt2細胞處理組中篩選出差異表達的蛋白質(zhì)。在Pt1處理組中有174個上調(diào)和112個下調(diào)的蛋白質(zhì)，而在Pt2處理組中下調(diào)蛋白為102個，下調(diào)蛋白有221個。GO分析（圖6A）結(jié)果表明這些差異表白主要參與氧化還原和生物分子代謝過程。EGCC途徑分析（圖6C）發(fā)現(xiàn)在Pt1和Pt2處理的細胞中有幾個重要的代謝途徑受到擾動。如糖酵解/糖異生、碳代謝和缺氧誘導(dǎo)因子1信號通路都存在糖酵解相關(guān)關(guān)鍵蛋白的下調(diào)，導(dǎo)致乳酸和ATP的減少。在Pt1和Pt2處理的低氧癌細胞中，氧化磷酸化途徑也被抑制。此外，嘧啶代謝和氨基酸生物合成也受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致生物合成原料嚴(yán)重短缺。這些蛋白質(zhì)組學(xué)分析結(jié)果表明Pt1和Pt2不僅能調(diào)節(jié)缺氧和酸性微環(huán)境，而且能顯著影響缺氧癌細胞的代謝功能，特別是能量供應(yīng)和生物大分子合成的相關(guān)功能。
圖6 差異蛋白生物信息學(xué)分析
5. 動物實驗：評估CAIXplatin體內(nèi)抗腫瘤效果
選擇具有80mm3體積MDA-MB-231腫瘤的BALB/c裸鼠進行體內(nèi)抗腫瘤效果研究。他們被隨機分成5組(n = 4)進行尾靜脈注射(i.v. 120μL, 5 mg kg-1)賦形劑和各種鉑類藥物。每3天測量一次腫瘤體積和小鼠重量，24天后處死所有小鼠并收集各組中的腫瘤(圖7A-B)。發(fā)現(xiàn)在連續(xù)四次注射后，與對照組相比，Pt1和Pt2組可分別抑制腫瘤生長57.9%和65.3%，而順鉑和奧沙利鉑組僅抑制腫瘤生長43.4%和32.0%，因此體內(nèi)抗癌效果為Pt2 > Pt1 >順鉑>奧沙利鉑。在注射各種鉑類藥物(靜脈注射120μL，5 mg kg-1)24h后，使用免疫熒光測定法測量腫瘤組織中CAIX和CD31(血管生成標(biāo)記物)的表達水平。與對照組相比，CAIX(綠色)和CD31(紅色)的熒光不受順鉑或奧沙利鉑的影響，但在Pt1和Pt2處理后基本上被抑制(圖7C)。結(jié)合前面的實驗，Pt1和Pt2已被證明具有顯著的抗腫瘤效果和抗血管生成活性。
圖7 檢測CAIXplatin抗腫瘤效果的動物實驗
04.文章小結(jié)
作者設(shè)計了CAIX靶向鉑（IV）前藥Pt1和Pt2并對其抗腫瘤效果進行評價，它們不僅能有效地殺死低氧癌細胞，具有比順鉑/奧沙利鉑高70~90倍的癌癥選擇性指數(shù)，而且能重塑腫瘤微環(huán)境和代謝，從而有效地抑制腫瘤細胞增殖、轉(zhuǎn)移和血管生成，體內(nèi)研究進一步證明，與順鉑/奧沙利鉑相比，Pt1和Pt2對MDA-MB-231腫瘤具有更好的抗癌效果，同時極大地消除了鉑類藥物的副作用，如肝毒性、腎毒性和耳毒性。因此，本研究提出CAIX靶向介導(dǎo)的微環(huán)境和代謝調(diào)節(jié)可作為克服鉑類藥物在治療低氧和侵襲性腫瘤中的非選擇性、低治療效率和嚴(yán)重副作用的新方法。
文獻原文下載
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1E-pkwUpzUZ_0XISk5uCT8A
提取碼：54vo
- 空間和單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)綜合分析揭示與不良預(yù)后相關(guān)的中間癌細胞群
- 單細胞測序助力揭示右心室容量超荷會通過免疫反應(yīng)重啟心肌細胞的增殖
- BS+ChIP-seq在揭示DNA甲基化調(diào)控非編碼RNA抑制腫瘤侵襲性中的應(yīng)用
- 靶基因甲基化測序(Target-BS)等在揭示特應(yīng)性皮炎新發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用
- ChIP等揭示糖皮質(zhì)激素和TET2共調(diào)控促進癌癥轉(zhuǎn)移的表觀遺傳機制
- 游離細胞DNA（cfDNA）檢測整體研究方案及其應(yīng)用案例
- DNA甲基化修飾整體研究方案技術(shù)介紹及經(jīng)典案例分析
- DNA甲基化詳解
