發(fā)布日期：2018-12-03
近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心高遠(yuǎn)課題組與北京大學(xué)陳鵬課題組合作，協(xié)同利用酶觸發(fā)的超分子自組裝和生物正交斷鍵反應(yīng)，在腫瘤細(xì)胞內(nèi)部實現(xiàn)原位、特異的前藥激活，不僅極大地降低了抗癌藥物的毒副作用，而且增強(qiáng)了靶向活化能力。相關(guān)成果以Synergistic Enzymatic and Bioorthogonal Reactions for Selective Prodrug Activation in Living Systems 為題在《自然-通訊》雜志發(fā)表(Nat. Commun. 2018, 9, 5032. DOI: 10.1038/s41467-018-07490-6)。
雖然化療藥物是目前抗腫瘤治療的主要手段之一，但其毒副作用極大地限制了給藥劑量，并往往導(dǎo)致腫瘤的復(fù)發(fā)。腫瘤選擇性的前藥(Prodrug)策略能夠在腫瘤靶向區(qū)域內(nèi)特異性活化和釋放藥物，在改善藥物理化、生物及藥代動力學(xué)性質(zhì)，降低化療藥物毒副作用等方面具有突出優(yōu)勢。相比于以大分子抗體為代表的主動靶向和以納米粒子為代表的被動靶向策略，利用腫瘤過表達(dá)的酶、活性氧、硫化氫等微環(huán)境特點，以小分子給藥方式在腫瘤原位構(gòu)建超分子組裝體是一種全新的靶向模式，在遞送效率、生物安全等方面具有獨特的優(yōu)勢。該工作設(shè)計合成了帶有前藥激活開關(guān)Tetrazine的酶響應(yīng)組裝前體短肽，利用宮頸癌細(xì)胞過表達(dá)的磷酸酶，在腫瘤原位構(gòu)建功能納米組裝體，使前藥激活開關(guān)獲得腫瘤靶向性并且大量富集。后續(xù)使用的阿霉素前藥TCO-DOX (其中，TCO為生物正交脫籠基團(tuán))在正常細(xì)胞或組織內(nèi)沒有激活，不產(chǎn)生毒性；而在腫瘤內(nèi)則能被高效激活，顯著提高了癌細(xì)胞的殺傷效果(圖1)。該工作通過酶觸發(fā)的超分子自組裝獲得腫瘤靶向性，協(xié)同生物正交斷鍵反應(yīng)實現(xiàn)時空可控的前藥激活，構(gòu)建了安全有效的腫瘤抑制策略，為擴(kuò)大化療藥物的治療窗口提供了新思路。
通過靶向腫瘤細(xì)胞過表達(dá)的磷酸酶，癌細(xì)胞與正常細(xì)胞得以有效區(qū)分。在宮頸癌HeLa細(xì)胞內(nèi)，由于過表達(dá)磷酸酶的作用，當(dāng)前體濃度高于臨界組裝濃度時，發(fā)生超分子自組裝，使前藥激活開關(guān)Tetrazine分子得以在腫瘤細(xì)胞內(nèi)特異富集。而正常細(xì)胞HUVECs的磷酸酶水平較低，則不會發(fā)生自組裝和Tetrazine富集。因此，通過酶觸發(fā)超分子自組裝實現(xiàn)腫瘤細(xì)胞靶向(圖2a)，為進(jìn)一步在腫瘤細(xì)胞內(nèi)特異激活前藥奠定了基礎(chǔ)。阿霉素經(jīng)TCO修飾后的前藥TCO-Dox能顯著降低細(xì)胞毒性，但癌細(xì)胞特異富集的Tetrazine分子能夠特異激活TCO-Dox，發(fā)揮其殺傷癌細(xì)胞的作用，顯著抑制癌細(xì)胞活性(圖2 b-d)。
動物模型研究進(jìn)一步證明Tetrazine開關(guān)能夠選擇性富集在腫瘤組織內(nèi)，并特異激活前藥釋放阿霉素，使得腫瘤組織內(nèi)阿霉素濃度顯著高于肝臟等正常組織。腫瘤治療實驗表明，自組裝與生物正交反應(yīng)的協(xié)同效應(yīng)，能夠顯著抑制腫瘤生長，并具有良好的生物安全性（圖3）。
高遠(yuǎn)課題組長期致力于生理條件下的超分子自組裝體系的研究及其在腫瘤診療領(lǐng)域的應(yīng)用。利用活體內(nèi)不同類型的生物化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)了活體內(nèi)的可控超分子自組裝。同時發(fā)展了藥物遞送的超分子組裝體，在腫瘤診斷治療方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，取得了諸多創(chuàng)新性成果。相關(guān)工作發(fā)表于Nature Communications、JACS、Advanced Materials、ACS Nano 等期刊。陳鵬課題組在國際上率先提出并發(fā)展了生物正交斷鍵反應(yīng)(Bioorthogonal Cleavage Reactions)，相關(guān)研究一直處于國際領(lǐng)先水平。上述工作主要由高遠(yuǎn)課題組的博士后姚慶鑫、陳鵬課題組的博士研究生林鋒等合作完成；并得到了國家重點研發(fā)計劃(2017YFA0205901、2016YFA0501501)、國家自然科學(xué)基金(21675036、21521003)、中科院人才項目的支持。
圖1 協(xié)同利用酶觸發(fā)的超分子自組裝和生物正交斷鍵反應(yīng)，實現(xiàn)腫瘤細(xì)胞特異的前藥激活
圖2 酶觸發(fā)超分子自組裝獲得腫瘤靶向性，生物正交前藥顯著降低了對正常細(xì)胞的毒副作用，并可在癌細(xì)胞內(nèi)特異激活
圖3 酶觸發(fā)的超分子自組裝與生物正交斷鍵反應(yīng)的協(xié)同效應(yīng)，可顯著抑制腫瘤生長
來源：國家納米科學(xué)中心
