具有广谱抗肿瘤活性的水溶性富锑多金属氧酸盐

多金属氧酸盐（多酸）由于其独特的结构和丰富的物理化学性质（如富含氧的表面、可调节的酸碱和氧化还原性等），使其在许多领域显示出诱人的应用前景。近年来，人们发现多酸在抗菌、抗病毒和抗肿瘤方面展现出独特的活性。作为第五主族的重氮族元素，锑（Sb）作为药物已在医学上使用了一百多年。由于孤对电子的立体活性，锑的化合物可以靶向蛋白质酪氨酸磷酸酶并增加活性氧的产生，从而促使癌细胞凋亡。最近，含锑的多酸用于抗肿瘤方面的研究引起了人们的高度兴趣，因为这类物质有望将多酸和锑的生物抗肿瘤活性协同复合到一起，是一类潜在的新型抗肿瘤药物。然而，目前已知的含锑的多酸大多数是低核的化合物，其簇上含有的锑原子的个数非常有限，并且锑原子被钨氧八面体外壳紧紧包裹着，阻碍了锑原子与外围细胞的接触。增加多酸中的锑原子的个数并使其暴露出来是否会对该类化合物的生物抗肿瘤活性有所改善仍是一个未知但具有重要科学意义的问题。遗憾的是，由于缺乏富锑的多酸化合物，这方面的研究目前仍然还是一个空白。

近日，福州大学郑寿添（点击查看介绍）团队在溶剂热条件下成功合成了一例罕见的高核的富锑多酸簇合物{Sb₂₁Tb₇W₅₆}。该化合物不但是迄今为止簇上含有锑原子个数最多的多酸簇合物，而且具有良好的水溶性和溶液稳定性，其为富锑多酸的生物抗肿瘤活性研究提供了一个非常难得的模型。研究发现，{Sb₂₁Tb₇W₅₆}可以通过激活P53依赖性凋亡途径和线粒体功能障碍的协同机制，对多种癌细胞系表现出广谱的抗肿瘤活性。此外，{Sb₂₁Tb₇W₅₆}能够显著抑制体内乳腺癌的生长和转移，且副作用不明显，是一种潜在的抗肿瘤药物。这项工作不仅证明了富锑多酸可以作为有潜力的抗肿瘤候选药物，同时说明了在原子尺度上将不同的生物活性元素（Sb、As、Bi和Se等）富集到多酸骨架上可以作为开发新型抗癌药物的一种潜在有效策略。这一成果近期发表在知名化学国际期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，第一作者为福州大学化学学院博士生肖慧萍和生物工程学院硕士生郝亚帅，福州大学李新雄研究员、徐芃教授和郑寿添教授为文章的共同通讯作者。

图1. 化合物1的结构

作者采用三缺位的多酸前驱体，通过简易的溶剂热“一锅法”合成了这例稀有的富锑钨多酸簇合物。单晶X射线衍射（SCXRD）分析表明，该结构由一个S-型的手性5p−4f异金属簇{Sb^III₁₃Sb^V₂Tb₇O₆₃(OH)₃(DMF)(H₂O)₆}、四个三缺位的{B-α-SbW₉O₃₃}缺位块和另一个S-型的手性多缺位{(B-α-SbW₉O₃₃)(W₃O₁₄)(B-β-SbW₈O₃₀)}单元组成（图1），整个团簇尺寸约为2.6 × 2.0 ×1.9 nm³。有趣的是，该多酸簇极易溶于水，电喷雾电离质谱（ESI-MS）表明其在水溶液中可以稳定存在（图2a）。同样，在磷酸缓冲溶液（PBS）或细胞培养基中孵育24小时后，其傅里叶变换红外光谱（FT-IR）没有观察到明显的结构变化（图2b）。此外，动态光散射（DLS）分析表明，其平均流体动力学直径（HD）为3.39 nm，与SCXRD分析确定的尺寸较为接近（图2c），同时负的zeta电位证实了多酸的表面带负电（图2d）。这进一步证明了该富锑多酸的可溶性和溶液稳定性，同时也为系统研究高核富锑多酸的抗肿瘤活性提供了难得的例子。

图2. 对1的溶解性和稳定性进行考察

随后，作者对其进行抗肿瘤生物活性研究，研究表明该富锑多酸在各种癌细胞系中展现出广谱的抗肿瘤活性，而对内皮细胞系EA.hy926几乎没有细胞毒性（表1），说明其对肿瘤细胞具有特异性。此外，含单个锑原子的{B-α-SbW₉O₃₃}前驱体（IC₅₀ = 22.37 µM）在4T1细胞中的细胞毒性比富含Sb的簇合物（IC₅₀ = 1.24 µM）低18倍。显然，富锑的多酸结构有助于提升其抗肿瘤活性。

表1. 1对各种细胞系的细胞毒性

接下来，作者使用Western Blot（WB）分析对其抗癌作用机理进行探究，p53依赖性细胞凋亡的重新激活是多种抗癌药物的潜在抗肿瘤机制。为了研究该富锑多酸对p53相关路径的潜在调节，作者MCF7和PC3细胞中p53蛋白及其下游蛋白PUMA的表达水平进行了测定（图3），结果表明该富锑多酸处理后，MCF7和PC3细胞中的p53和PUMA表达均呈剂量依赖性增强，说明该富锑多酸是通过重新激活p53依赖性凋亡途径表现出抗肿瘤作用。

图3. WB分析考察抗癌作用机理

此外，通过对线粒体膜电位（MMP）敏感的荧光探针JC-1研究了该富锑多酸对线粒体膜完整性的影响。红色和绿色荧光分别代表完整和破坏的线粒体膜。经该富锑多酸孵育后导致4T1细胞中红色荧光的剂量依赖性降低和绿色荧光的增加，表明线粒体功能障碍（图4a-d）。基于Annexin V-FITC/PI 的流式细胞术分析表明，用该富锑多酸治疗后剂量依赖性地增加了4T1细胞早期凋亡和坏死的比例（图4e-i）。进一步证明该富锑多酸通过线粒体膜功能障碍、启动p53依赖性凋亡途径和引起坏死的协同机制了消除肿瘤细胞。

图4. MMP和基于Annexin V-FITC/PI 的流式细胞术分析

最后，作者在基于4T1的患癌小鼠模型中进一步研究了该富锑多酸的抗肿瘤和抗转移作用。结果表明，该富锑多酸能够显著抑制肿瘤的生长（图5a），治疗20天后，治疗组的肿瘤体积仅增加了13和12倍，而对照组为23倍（图5b, 5c）。此外，用该富锑多酸治疗不会影响其体重，表明小鼠对该富锑多酸的副作用具有很高的耐受性。组织病理学分析显示，处理小鼠的肿瘤组织中有明显的炎症损伤和局部坏死，与对照组肿瘤组织中的完整和致密纹理形成对比（图5d）。值得注意的是，在对照组的肺中观察到明显的转移灶（图5e），相比之下，来自治疗小鼠的透明肺组织定性表明该富锑多酸抑制了肿瘤细胞的转移。此外，组织病理学分析还表明，该富锑多酸不会对其他器官（心脏、肝脏、脾脏和肾脏）造成明显损伤。

图5. 小鼠体内抗肿瘤和抗转移考察

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A Water-Soluble Antimony-Rich Polyoxometalate with Broad-Spectrum Antitumor Activities

Hui-Ping Xiao⁺, Ya-Shuai Hao⁺, Xin-Xiong Li,* Peng Xu,* Ming-Dong Huang, Shou-Tian Zheng*

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202210019, DOI: 10.1002/anie.202210019

导师介绍

郑寿添

https://www.x-mol.com/university/faculty/9549