可经肾脏清除的中空碳酸氧铋纳米管用于肿瘤CT成像介导放化疗协同治疗

恶性肿瘤已经成为威胁人类生命健康的最大杀手之一。为了有效诊断并且治疗肿瘤,科研工作者基于多种成像手段(如计算机断层扫描成像, CT imaging)和肿瘤治疗方法(如化疗、放疗)相继开发了多种功能型无机纳米材料。而纳米材料的形状、尺寸等性质直接影响其体内行为,如循环时间、靶向富集性能等。美国FDA规定医用造影剂需在一定时间内排出体外以避免其在体内长期蓄积可能导致的潜在安全问题。对于无机纳米造影剂,尺寸小于6~8 nm时方可经肾排泄。然而正因易被清除,此类纳米材料体内循环时间很短,难以实现肿瘤特异性成像。基于此,亟需开发一种循环时间较长的可经肾清除的纳米材料,这也为高效、安全的肿瘤诊疗制剂的开发提供了思路。浙江大学药学院凌代舜研究员(点击查看介绍)课题组基于碳酸氧铋成功制备了一种可经肾清除的智能响应型中空管状组装体,并将其开发为CT成像介导放化疗协同治疗肿瘤的高效、安全的纳米诊疗制剂。他们首先合成了超小尺寸碳酸氧铋纳米点,随后使用溶剂热法将其组装为中空碳酸氧铋纳米管。相较于小尺寸纳米点,中空碳酸氧铋纳米管在体内有较长的循环时间,并更易渗漏肿瘤部位的血管,随后实现肿瘤富集。有意思的是,此中空纳米管状组装体在肿瘤组织的微酸环境中会缓慢解组装为纳米点,随后扩散至血液并经肾清除,一定程度上避免了纳米材料在体内长期蓄积可能导致的毒性问题。基于此中空碳酸氧铋纳米管,他们继续开发了肿瘤放化疗协同治疗纳米体系。一方面,在X射线照射下,富集在肿瘤部位的碳酸氧铋纳米管可以实现肿瘤特异性CT成像和放疗增敏。另一方面,他们利用中空纳米管比表面积较大这一特点,将脱盐酸后的阿霉素负载在管道内部。细胞和动物实验均证实,与单一放疗或化疗方法相比,放化疗协同治疗可以显著提高肿瘤细胞内ROS水平并加重DNA损伤,最终诱导肿瘤细胞凋亡。可见,此碳酸氧铋智能响应型管状组装体为构建高效、无毒的纳米诊疗制剂提供了新的思路。该论文已在线发表于Nano Letters上,论文第一作者为凌代舜研究员课题组博士生胡希、浙江大学医学院附属邵逸夫医院放射科孙继红主任医师和药学院李方园博士。该课题受到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项(青年科学家项目)、国家自然科学基金、“千人计划”青年项目启动经费等项目的共同资助。该论文作者为:Xi Hu, Jihong Sun, Fangyuan Li, Ruiqing Li, Jiahe Wu, Jie He, Nan Wang, Jianan Liu, Shuaifei Wang, Fei Zhou, Xiaolian Sun, Dokyoon Kim, Taeghwan Hyeon, Daishun Ling原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Renal-Clearable Hollow Bismuth Subcarbonate Nanotubes for Tumor Targeted Computed Tomography Imaging and ChemoradiotherapyNano Lett., 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04741导师介绍凌代舜http://www.x-mol.com/university/faculty/26739 课题组链接http://person.zju.edu.cn/ling

来源: X-MOL 2018-02-18

天津大学常津教授团队的5篇ACS Nano,可视化引导纳米药物研究的系列进展

传统的临床药物进入体内后,输送路线很难被检测,药物在体内的分布、释放及其靶向效果也难以评判。纳米技术有望解决上述传统药物制剂的缺陷,特别是“可视化引导纳米药物研究”具有更加实际的临床意义。天津大学生命科学学院常津教授带领的团队长期致力于纳米生物技术在肿瘤等重大疾病诊疗方面的基础和应用研究,尤其是近年来在“可视化引导纳米药物研究”方面取得了重要进展,在纳米技术领域顶级期刊ACS Nano(IF=13.9,一区)上连续发表了5篇代表性文章。下面就此系列性研究成果做一简单回顾:Intrinsically Radioactive [64Cu]CuInS/ZnS Quantum Dots for PET and Optical Imaging: Improved Radiochemical Stability and Controllable Cerenkov Luminescence本文首次探索了将PET成像技术与光学成像技术相结合,构建了[64Cu]CuInS/ZnS量子点,并对其相关物理化学性能进行了测试。实验表明,该核壳纳米颗粒同时具有优异的PET成像和光学成像性能,在后续的U87MG小鼠移植瘤模型中,我们也观测到了该颗粒具有很高的肿瘤摄取率(10.8% ID/g)。这种颗粒为PET可视化引导纳米药物研究提供了一种全新思路。(文章发表于:ACS Nano., 2015; 9(1): 488–495.)Size-Tuning Ionization To Optimize Gold Nanoparticles for Simultaneous Enhanced CT Imaging and Radiotherapy本文探索了将CT成像技术与放疗增敏技术相结合,构建系列金纳米粒子,并对其相关物理化学性能进行了测试。体内研究进一步表明,与临床使用的小分子药物相比,这种AuNPs在体内具有更长的循环时间,增加了其在肿瘤位点上的有效累积,从而达到了其在活体小鼠中的肿瘤的实时CT成像和放疗增敏的效果。这些结果表明,经过特殊设计的AuNPs课作为多功能的辅助剂,在X射线临床治疗的应用中具有广阔的前景。(文章发表于:ACS Nano., 2016; 10(2):2536-48.)Albumin-Bioinspired Gd:CuS Nanotheranostic Agent for In Vivo Photoacoustic/Magnetic Resonance Imaging-Guided Tumor-Targeted Photothermal Therapy本文探索了利用蛋白质矿化技术,将光声成像与MRI成像相结合,构建用于光热治疗用的Gd:CuS新型纳米颗粒,并对其相关物理化学性能进行了测试。在体内实验中,我们以SK-OV-3肿瘤耐受鼠为研究对象,结果表明Gd:CuS新型纳米颗粒具有优良的光声和MRI成像效果,并在光热治疗中起到了很好的可视化引导作用。(文章发表于:ACS Nano., 2016; 10(11):10245-10257.)Near-Infrared Emission CuInS/ZnS Quantum Dots: All-in-One Theranostic Nanomedicines with Intrinsic Fluorescence/Photoacoustic Imaging for Tumor Phototherapy本文探索了将光声成像技术与荧光成像技术相结合,构建用于光热治疗用的CuInS/ZnS新型纳米颗粒,并对其相关物理化学性能进行了测试。研究结果表明,在660纳米的激光照射下,CuInS/ZnS纳米颗粒同时具有固有的光热效应和光动力效应,从而获得了高度的抗肿瘤治疗效果。CuInS/ZnS量子点作为“一体化”多功能纳米治疗剂,具有较高的治疗效果,并通过影像技术非侵入性地监测肿瘤部位,因此具有作为精确诊断的纳米药物的潜力。(文章发表于:ACS Nano., 2016; 10 (10): 9637–9645)Near-Infrared Light Triggered Upconversion Optogenetic Nanosystem for Cancer Therapy本文首次探索了将荧光成像技术与光遗传治疗技术相结合,构建多功能稀土上转换纳米颗粒,并对其相关物理化学性能进行了测试。实验表明合成制备的多功能稀土上转换纳米颗粒成功的将能穿透深部组织的近红外光转换成局部蓝光,进而激活细胞内布控的光感蛋白,实现了控制蛋白的多靶点亚细胞定位和癌症治疗,为微创光遗传学技术在体内的实施拓展了新思路。(文章已在网上发表:ACS Nano., 2017; DOI: 10.1021/acsnano.7b06395 )上述研究工作得到了科技部国家重点研发计划纳米专项、国家自然科学基金、天津市自然科学基金重点项目的支持。

来源: X-MOL 2018-02-17

今晚开个房间,一起……看书可好?

不要想歪了,真的是一起看书。图片来自网络2016年圣诞,本君向大家介绍了Derek Lowe在其博客向大家推荐的药物化学书单(点击阅读相关)。Derek Lowe是一位在药物研发领域工作超过25年的资深药物化学家,除了本职工作,还喜欢玩博客品评天下,在圈内也小有名气(点击阅读相关:报道一、报道二)。前不久,Derek Lowe更新了他的书单,本君在此将新版本整理好奉送给大家。与上次的书单不同,本次更专注于药物化学领域,以此为主线,希望为刚入门的各位同学在建立知识结构体系上提供一点帮助。综合药物化学领域Comprehensive Medicinal Chemistry这本书几乎涵盖了药物化学各个领域,除了一些常见话题外,还涉及了许多前沿问题,比如新靶点的鉴定与验证、预测生物活性的虚拟模型、应用于药物合成的绿色化学合成法、药物发现领域的新骨架等等,颇有药物化学百科全书的味道。当然,最亮眼的是这书的售价,亚马逊售价4089.63美…元…。图片来源:AmazonThe Practice of Medicinal Chemistry这是一本药化神书,是可让药化入门者重建三观的史诗巨著。2016年底本君就向大家重点安利过。今年依然有大量网友推荐此书,确实不愧被国内许多论坛网友奉为药物化学领域的圣经,现在更新到第4版。此书和Comprehensive Medicinal Chemistry 相比,最大的优势就是性价比啦,内容几乎涵盖了药化的几大主流领域,价格却非常亲民,只有150美元。本君当年收藏了第3版的中英文两个版本,至今还能从中学到一些知识点。图片来源:AmazonMedicinal Chemistry: The Modern Drug Discovery Process (Pearson Advanced Chemistry)这本书也是许多读者强烈推荐的书目,其特点是适合各个学术水平的读者,内容也是从药物发现历史到药物靶点、结构优化、构效关系,可说的上面面俱到。本君认为非常适合初入行业的本科生。图片来源:Amazon药物化学专项技术领域Fluorine in Life Sciences氟化学在有机化学当中是一个重要的研究方向,在药物化学当中也是如此,许多药物含有氟原子,更是有许多引入氟原子后的成功优化案例。氟化学除了在常规药物化学领域有不俗的表现外,在分子影像诊断领域更是有着大量应用。这本书就从多个学科领域讲了氟化学的魅力,包括氟化学中药物化学中的应用,但不止于药物化学。图片来源:AmazonBiophysical Techniques for Drug Discovery顾名思义,药物发现中的生物物理学技术。这些年诸如SPR、ITC、NMR等各式各样的生物物理技术被广泛应用到新药发现的各个环节当中。我们平台之前也发表过专门的文章介绍药物研发中的各种生物物理技术(点击阅读相关)。先进的技术一定要学,大家不能落后。图片来源:AmazonPractical Medicinal Chemistry with Macrocycles这本书讲的角度很奇特,专注在药物化学中的大环化合物,介绍了含有大环结构的上市药物和开发阶段的在研化合物。新手可能会有所疑问,除了大环内酯、大环肽,大环结构还有什么用?本君多的不说,请检索一下厄洛替尼和埃克替尼的结构吧。后者在国内斩获了无数荣耀。图片来源:AmazonIn Silico Medicinal Chemistry计算机辅助药物设计可以说是计算化学和药物化学的交叉学科,也已经成为了当今药物化学的一个重要技术。这本书涵盖了药物化学领域遇到的各种计算化学技术,适合初入行业的同学了解这一领域。图片来源:Amazon药物化学领域内各种技术书籍还有很多,比如大家耳熟能详的生物电子等排体、基于片段的药物发现、骨架跃迁等等,这些书目本君在2016年底的书单中已有推荐,感兴趣的同学可以自行补课。药物化学相关学科领域Pharmacology for Chemists对于大多数以药物合成入门的药化工作者来说,对药理活性的理解有时总是那么的似是而非。别着急,看看这本书,专门写给化学工作者的药理学,也许会解决一些困扰已久的问题。图片来源:AmazonPocket Guide: Pharmacokinetics Made Easy (Pocket Guides)药物代谢动力学是药化工作者必须要了解的学科。当我们面对那些体外活性奇佳、体内代谢性质不好的化合物时,可以从药物代谢的角度找到适当的结构优化入手点。这本书的特点就是浅显易懂,容易上手,非常适合我们这些外行学习。图片来源:AmazonHayes' Principles and Methods of Toxicology毒理学领域的经典教材,已经更新到第6版了。这本书几乎囊括了药化工作者遇到的各种常见毒理学问题,比如基因毒性、心脏毒性、神经毒性等等。本君认为学完了这本书的同学直接可以手撕网上各种“XX有毒”的谣言文章。图片来源:AmazonChemical Projects Scale Up: How to go from Laboratory to Commercial最后推荐的这本书则和放大生产相关。虽然国外许多学者认为从实验室到大规模生产已经不再是药物化学领域而是纯粹的有机化学和化工领域的问题,但是毕竟在我国许许多多的药化专业的学生和老师在大量地做着药物合成的工作,况且这个技能也是最好就业的。本君还是将这本书推荐给大家,希望大家开发的结构能早日进入放大生产那个阶段吧。图片来源:Amazon有些朋友可能觉得自己看过的一些好书没有被推荐。其实,它很可能出现在平台2016年底的书单中。2017年路转粉的同学,我敢保证你们一定会在上次的书单中有所收获的。我们更鼓励大家踊跃留言把自己看过的好书推荐出来,中英文不限。“这么多的书,我该怎么看?”这是上次书单发布后好多网友给我们的留言。我只能说,因人而异吧。如果你是对药物化学很感兴趣的研究生,建议从综合药物化学领域挑选一本书逐句精读。全本精读一遍,保你将来读任何药化文献都如履平地。如果你正在做某个领域的课题或工作,那么毋庸置疑挑直接相关的书籍。如果你的药物化学训练绝大部分做的是有机合成而你又有一颗研发活性化合物的心,那么综合药物化学读完之后,药理学和药代动力学的学习是当务之急。最后祝愿大家新年学习新知识,新年斩获新成果。(各位学术单身汪,本君今天只能帮你们到这里了……)参考资料:1. Derek Lowe博客:http://blogs.sciencemag.org/pipeline/archives/2017/12/11/medicinal-chemistry-books-20172. 2016版药物研发书单推荐:http://www.x-mol.com/news/4476(本文由乐只君子供稿)

来源: X-MOL 2018-02-13

中国科学家破解蜈蚣剧毒之谜

作为“五毒”之一,蜈蚣肯定承包了很多人的童年阴影,它们令人毛骨悚然的外表之下,更藏着危险的杀机。很多故事中的蜈蚣都是心狠手辣的角色,比如《西游记》里的“多目怪”(一条大蜈蚣),《白蛇传》里的“蜈蚣精”,《葫芦娃》里的“蜈蚣小妖”等。图片来源:《葫芦兄弟》/上海美术电影制片厂真实世界中,拥有致命毒液的蜈蚣也是捕猎好手,广泛分布于除南极洲外的各大洲陆地上。蜈蚣身体前端的一对足变异成毒肢,上面生有毒腺。蜈蚣捕猎时会将毒肢狠狠刺入猎物体内,并注射进大量毒液。蜥蜴、蟑螂、田鼠等等多种动物都在它们的菜单上,其中不少猎物的体型要比蜈蚣庞大数倍乃至数十倍。小小的蜈蚣对人类也有不小的威胁,被咬后的患者会出现疼痛、水肿,严重者甚至会出现高血压、呼吸衰竭、昏迷直至死亡。蜈蚣毒液究竟是如何发挥作用的呢?最近,由中国科学院昆明动物研究所的赖仞课题组牵头的研究团队发现了金头蜈蚣(Scolopendra subspinipes mutilans)毒液中起关键作用的多肽毒素SsTx,这种毒素可阻断对多种生命活动都非常关键的KCNQ钾离子通道,从而同时破坏心血管、呼吸、肌肉和神经系统的正常功能,以快速杀死体型巨大的猎物。基于这一机理,研究团队还发现KCNQ钾离子通道开放剂瑞替加滨(Retigabine,一种抗癫痫药物),可用于治疗实验动物的蜈蚣毒液中毒。这为治疗蜈蚣咬伤提供了宝贵的潜在治疗手段。该文近期发表于PNAS,昆明动物所赖仞研究员、杨仕隆博士、周鸣研究员(同为贝勒医学院教授)、中国科学技术大学田长麟教授为共同通讯作者;昆明动物所博士研究生罗雷、李博文、华中科技大学汪盛博士、中国科学技术大学吴芳明博士为共同第一作者。[2]为什么会选择研究蜈蚣呢?赖仞研究员说:“蜈蚣的捕食效率可能是有毒动物中最高的。” [1] 体重3 g的金头蜈蚣PK体重45 g的小鼠,只需30秒就可将其放倒(下图)。毒液作为蜈蚣捕猎的核心武器,而且也具有某些药用价值,自然引起了研究人员的兴趣。金头蜈蚣捕食小白鼠(点击查看)。图片来源:PNAS赖仞研究员和合作者们多年来一直研究蜈蚣毒液的成分、功能和生物学机制,他们的前期工作分析了蜈蚣毒液的复杂成分,探究了蜈蚣毒液引发疼痛的原因,并且在毒液中发现具有药用潜力的活性多肽,但是蜈蚣“以小博大”征服巨大猎物的分子机制此前仍然是一个谜。[2] 在最新的工作中,研究人员将目光锁定在名为“幽灵毒素”(Ssm Spooky Toxin,SsTx)的多肽上,SsTx能干扰广泛存在的KCNQ钾离子通道家族。SsTx和钾离子通道KCNQ4的分子对接结果。图片来源:PNASSsTx成熟肽由53个氨基酸构成,整体折叠成一个团块状的形状,12号位和13号位的精氨酸和赖氨酸使其表面带正电荷。SsTx的这些结构特征就决定了它与钾离子通道有很好的亲和性。而KCNQ钾离子通道对外开口部分带有负电荷,这一设计原本是为了让钾离子更容易通过,但也让SsTx钻了空子。仅仅10 μM的SsTx毒素就可以在0.1秒内堵塞钾离子通道,使心脏和呼吸系统麻痹。研究者还使用含SsTx毒素的原始蜈蚣毒液和不含SsTx毒素的原始蜈蚣毒液对比,发现后者的心血管毒性大幅降低,这也说明了SsTx毒素是蜈蚣毒液起作用的关键。SsTx的NMR结构与静电势分布。图片来源:PNAS既然SsTx的毒性机制依赖于KCNQ阻断钾离子通道,那么使用能打开KCNQ钾离子通道的药物,是不是能对抗SsTx的毒性呢?研究团队尝试了KCNQ钾离子通道开放剂瑞替加滨,这种用于治疗癫痫药物不负众望,在动物实验中可抵抗蜈蚣毒液导致的中毒症状。注射SsTx小鼠的胸主动脉血管强烈收缩,瑞替加滨可以有效缓解症状。图片来源:PNAS蜈蚣是不是超可怕的!然而,再厉害的蜈蚣生在大吃国也躲不过……据说是王府井小吃街上的食物(点击查看)。图片来源:Wikipedia [3]这样的命运……附:如果您觉得本文的蜈蚣相关图片还不足以“带来强烈不适”,欢迎访问原文SI部分,有金头蜈蚣捕食小白鼠的视频。参考资料2中昆明动物所的官网报道,也可观看该视频。【X-MOL提示:本文内容仅属学术研究范畴,不能指导临床药物的使用。任何药物的服用与停用,都应以医嘱为准!】原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Centipedes subdue giant prey by blocking KCNQ channelsPNAS, 2018, DOI:10.1073/pnas.1714760115参考资料:1.https://www.chemistryworld.com/news/deadly-component-of-centipede-venom-identified/3008568.article2.http://www.kiz.ac.cn/xwzx/kydt/201801/t20180123_4937308.html3.https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Centipedes_as_street_food.jpg(本文由氘氘斋供稿)

来源: X-MOL 2018-02-06

Science:3D打印技术实现药物的自动化合成

作为进一步制备各类药物制剂的活性成分,原料药(active pharmaceutical ingredient, API)的稳定供应在当今制药行业的发展中具有十分重要的意义。受限于特定的加工技术与设备,绝大部分API只能在特定的工厂车间由经过培训的技术人员进行定时、定量的生产,与此同时也带来储存、运输等方面的成本及安全问题。除此之外,一些API还会受到生产供应链的制约,一旦出现上游产业原材料的供应不足,便会对后续API的合成带来严重的影响。用于生产的硬件设施在筹备前期通常需要大量的资金与时间投入,如果出现重大事故造成生产线破坏,后期的重新配置也将面临巨大的代价。为此,人们开始研究逐步将集中化的大型生产模式转变为分散化的小型生产。早在上世纪八九十年代,研究人员便利用微细加工技术设计了板式及片式的连续流动微反应器装置,由此更有效地控制反应的热量及质量转移,提高其转化效率及安全性。人们甚至可使用玻璃、塑料及纸张等材料制成的微型设备应用于临床医学诊断及远程化学分析过程,在简化测试手段的同时降低其成本。近年来发展的无机及有机聚合物材料3D打印技术更是克服了传统加工制造方法的局限,研究人员可借助这一手段设计任意几何形状的化学反应器,从而提高化学反应的效率。最近,英国格拉斯哥大学的Leroy Cronin教授(点击查看介绍)结合3D打印技术设计了一种可封装聚丙烯(PP)材料的反应容器,并基于数字化程序完成了中枢神经系统抑制剂(±)-巴氯芬(baclofen)的自动化合成。这种设备包含相互贯通的五个不同形状及大小的隔室,整个反应流程涉及3个不同的化学反应及萃取、过滤、蒸发等12个独立的操作步骤。反应装置的设计以及自动化合成过程均通过程序化编码为数字化3D模型,随后借助3D打印设备便可完成以上所有的操作。相关工作发表在 Science上。视频来源:Leroy Cronin Group作者将这种设计思路归纳为三个层面进行讨论:首先是概念层,确定反应流程中涉及的化学反应及操作步骤,并设计相应的反应参数;随后是数字层,将以上流程及参数转化为定制的反应模块,并建立3D计算机自动化设计(CAD)模型;最后是物理层,数字化3D模型通过3D打印设备完成实体转化,并实现自动化合成过程。图1. 从概念到反应器的设计实现API自动化合成。图片来源:Science传统的实验室合成过程主要在玻璃容器中进行,作者发现PP材料在有机合成反应中表现出良好的兼容性,同时又是3D打印技术的理想材料,因而选择PP作为制造反应容器的基本结构材料。他们以这种材料制成的反应容器对中枢神经系统抑制剂(±)-巴氯芬、抗惊厥药物拉莫三嗪(lamotrigine)以及抗胃溃疡和反酸药物佐利咪啶(zolimidine)三种API的合成过程进行尝试,前两种API仍可保持十分理想的合成效率,因而用于进一步设计自动化合成过程。图2. 三种不同API在不同材料容器中的反应情况。图片来源:Science确定两种API的反应流程后,他们将相应的组合方案与数字化3D模型建立映射关系,并将其拆分为一系列连续的模块,每个模块可通过3D打印设备打印出单个反应隔室。每个工艺模块创建为数字化模型后还可通过OpenSCAD软件进行适当的优化,从而将反应容器设计成适合反应过程的几何形状。最终作者设计了一个包含18种不同形状反应模块的数据库,每种模块的接口可自由替换并相互衔接。图3. 不同形状反应模块的数据库。图片来源:Science他们首先以(±)-巴氯芬为例对建立的模型进行考察,从商品化的4-氯肉桂酸甲酯1出发,1与硝基甲烷发生Michael加成得到4-硝基-3-(4-氯苯基)丁酸2,2在Ni催化剂的作用下发生硝基还原、内酰胺环化,随后在酸性条件下水解,以盐酸盐的形式得到商品化的(±)-巴氯芬。3步反应中涉及12个独立的处理步骤,作者设计了5个反应模块用于上述合成过程,即Michael加成、蒸发和乙醚萃取模块,溶剂交换和还原反应模块、相分离和过滤模块、溶剂交换和水解反应模块以及过滤模块,每一个处理步骤都可以在设计的反应或纯化模块中进行。他们还通过类似的设计过程实现了拉莫三嗪的自动化合成。图4. (±)-巴氯芬的自动化合成。图片来源:ScienceLeroy Cronin教授结合3D打印技术设计的自动化合成反应器实现了API生产的分散化与小型化,人们不再需要复杂庞大的设备适应流水线合成,操作人员也无需特殊培训,仅在办公室内借助一台3D打印设备、一个常用的化学原料库以及一套说明书便可轻松完成API的合成。借助这种自动化合成技术,人们在未来还可实现药物的个性化定制。该设计理念可以大大降低药物储存、运输等方面产生的成本,并由此提高药品的供应效率及稳定性,为制药行业的发展带来切实的经济与社会效益。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Digitization of multistep organic synthesis in reactionware for on-demand pharmaceuticalsScience, 2018, 359, 314, DOI: 10.1126/science.aao3466导师介绍Leroy Croninhttp://www.x-mol.com/university/faculty/48462 参考资料:1. http://science.sciencemag.org/content/359/6373/2732. https://www.gla.ac.uk/news/headline_568272_en.html(本文由夜若岚尘供稿)

来源: X-MOL 2018-02-04

Janus药物共轭体:提高联合化疗效果的新思路

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析目前肿瘤化疗仍是大多数癌症患者不可缺少的治疗方法,但是化疗药物往往缺乏选择性,而且肿瘤细胞容易产生多药耐药性,严重影响化疗的效果。因此,研究可逆转肿瘤多药耐药性的功能性药物输送系统在提高化疗药物药效、降低毒副作用等方面将具有广阔的应用前景。纳米药物载体,如脂质体封装的抗癌药物在临床前和临床实验中已被证实能够通过降低毒性和增强疗效来提高治疗指数。然而,传统脂质体存在载药量低(一般<10%)、稳定性差、药物容易泄漏等问题,导致治疗效果不理想,并且容易引发机体的毒副作用。由于肿瘤具有异质性和耐药性等问题,单独使用一种药物通常难以取得良好的治疗效果,因此人们一直致力于设计可以装载多种抗癌药物的纳米载体,通过协同治疗作用来提高治疗效果。相比于单一或连续给药,联合用药可使癌细胞更不容易发展补偿性耐药机制。研究表明,抗癌药物组合无论是发挥协同作用还是拮抗作用,一般都依赖于联合用药中各化疗药物之间的摩尔比,特别是全身给药后控制肿瘤组织处不同药物的特定释放比例对疗效起着至关重要的影响。例如,CPX-1(注射用伊立替康/氟尿苷脂质体,1:1)对胃肠道瘤具有较好的协同治疗效果。近日,北京大学工学院生物医学工程系的戴志飞教授(点击查看介绍)和附属第三医院合作,设计合成了一种具有高度对称性的Janus药物共轭体,即两亲性氟尿苷-喜树碱共轭化合物(Janus Camptothecin-Floxuridine Conjugate, JCFC)。它以季戊四醇分子为骨架,利用对肿瘤微环境敏感的酯键,分别将两个疏水性的抗癌药物喜树碱分子与两个亲水性的抗癌药物氟尿苷分子连接在一起。该JCFC共轭化合物在极性溶剂中可自组装形成具有类似脂质体双层膜结构的纳米胶囊(NCs)。JCFC纳米胶囊的双层膜厚度大约为3.7 nm,载药量高达60%以上,远远大于传统脂质体的< 10%,可在各种生理缓冲液中稳定分散,且可避免药物分子在循环过程中的泄漏。与游离的氟尿苷及喜树碱相比,JCFC纳米胶囊能够显著被癌细胞摄取。最令人兴奋的是,静脉给药后,JCFC纳米胶囊可高效富集到达肿瘤部位,在酸性微环境和酯酶的作用下,可以按照1:1的摩尔比释放抗癌药物氟尿苷与喜树碱,发挥出显著的协同治疗效果。这是首次通过Janus药物共轭体制备具有类似脂质体结构的纳米胶囊用于联合药物的输送。这种策略也可有效应用于其他种类的抗癌药物,为开发安全高效的药物输送体系提供了新的思路。而且,JCFC纳米胶囊还可以用作载体来装载其他治疗或成像药物,实现癌症诊疗的一体化和个性化。相关论文在线发表在Advanced Materials 上。梁晓龙博士和高闯为该论文的共同第一作者,戴志飞为通讯作者。该论文作者为:Xiaolong Liang, Chuang Gao, Ligang Cui, Shumin Wang, Jinrui Wang, Zhifei Dai原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Self-Assembly of an Amphiphilic Janus Camptothecin–Floxuridine Conjugate into Liposome-Like Nanocapsules for More Efficacious Combination Chemotherapy in CancerAdv. Mater., 2017, 29, 1703135, DOI: 10.1002/adma.201703135戴志飞教授简介戴志飞,北京大学工学院生物医学工程系教授,国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发计划首席科学家;1998年于中科院理化所获得博士学位并留所工作,先后前往日本、德国和美国工作;2005年被哈尔滨工业大学生命科学院引进回国,2012年加盟北京大学。主要研究领域包括医学超声、分子影像、纳米医学和微创治疗技术等,现担任中国生物医学光子学会副主任委员、中国医药生物技术协会纳米生物技术分会副主任委员、中国医学超声装备协会常务委员、中国超声分子影像专业委员会常务委员以及Bioconjugate Chem.、Theranostics、J. Interdiscip. Nanomed.、IET Nanobiotechnology、《中华核医学与分子影像杂志》等期刊编委。http://www.x-mol.com/university/faculty/18974 科研思路分析Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?A:如上所述,由于肿瘤具有耐药性的问题,单独使用一种药物通常难以取得良好的治疗效果。因此,联合化疗已成为治疗癌症的标准方案。比如,盐酸伊立替康(喜树碱衍生物)与5-氟尿嘧啶联合化疗是治疗转移性结直肠癌的标准方案。研究表明,联合用药中各化疗药物之间的摩尔比,特别是全身给药后不同药物在肿瘤组织处的特定释放比例对疗效起着至关重要的影响。研究表明,伊立替康/氟脲苷的摩尔比为1:1时对胃肠道瘤的协同治疗效果最佳。因此,制备具有超高载药量的复方纳米制剂,无需惰性载体,将2种或2种以上化疗药物有效地输送到肿瘤部位,并能精确地按照最佳摩尔比释放,是提高联合化疗效果的关键科学与技术问题。Q:研究过程中遇到哪些挑战?A:该研究中最大的挑战是设计与合成两亲性药物共轭体以及控制其自组装纳米粒子的过程。例如如何选择不同药物分子和不同药物比例使其发挥最佳协同治疗的效果,选择何种对肿瘤微环境有响应的化学键来连接药物分子以确保药物输送的安全性以及如何根据需要来优化控制纳米载体的尺寸以提高其肿瘤被动靶向性等。在这个过程中,该团队在有机合成和纳米材料组装技术方面的经验积累起到了至关重要的作用。Q:该研究成果可能有哪些重要应用?其应用前景如何?A:这是首次通过Janus药物共轭体制备具有类似脂质体结构的纳米胶囊用于特定比例联合药物的输送。这种策略也可有效应用于其他种类的抗癌药物,因此为开发高效的药物输送体系提供了新的思路。而且,JCFC纳米胶囊还可用作载体来装载其他治疗或成像药物,实现癌症诊疗的一体化和个性化。例如,该团队利用JCFC纳米胶囊装载近红外荧光染料,一方面,可以通过荧光手术导航准确切除肿瘤;另一方面,通过联合化疗的协同作用可有效地清除手术后残留的肿瘤细胞,从而解决手术治疗后肿瘤复发的问题。相信这种提高联合化疗效果的Janus药物共轭体将会推动生物制药以及精准医疗的进一步发展。

来源: X-MOL 2018-02-04

希夫碱钌配合物全新的抗癌作用机制

设计新型药物已经成为解决铂类抗癌药物带来副作用和抗药性的重要思路之一。近年来,钌类化合物的抗肿瘤活性逐渐得以发现,包括NAMI-A和KP1019在内的钌类配合物在临床研究中表现出众,也使得这一领域备受瞩目。与传统铂类抗癌药物不同,钌类抗癌药物有可能不通过损伤DNA引发细胞死亡,从而为解决抗药性问题提供了可能性。香港城市大学的朱光宇课题组与刘大铸课题组合作,首先合成了一系列含有胍基团的三价钌配合物3-8。含有胍基团的金属配合物被证实拥有多种生物活性,胍基团也为调节配合物的多种物理性质,如溶解性、氧化还原性质等提供了便利。他们同时合成了一系列含有脒基团的三价钌配合物10-15。在细胞毒实验中,含有胍基团的配合物7拥有与顺铂相似的癌细胞抑制性,却对正常细胞MRC-5没有任何毒性。配合物7的高选择性致使其拥有潜在的低系统毒性,与顺铂相比,含有脒基团的配合物13可以更有效地抑制癌细胞,选择性同样有所提高。配合物7和13都可以克服顺铂的耐药性问题。体外实验中,配合物7可以结合小牛胸腺DNA,改变质粒DNA的迁移性。细胞实验中,配合物7阻滞细胞周期,引起磷脂酰丝氨酸外翻、DNA损伤裂解、细胞收缩等一系列典型的细胞程序性凋亡(apoptosis)特征。有趣的是,与配合物7拥有相似结构的配合物13并没有表现出对DNA的亲和性,细胞实验中也没有损伤DNA的证据。他们观察到细胞接触配合物13后会快速产生大量非自噬体的空泡、内质网压力以及线粒体膨胀,由此证明配合物13可引起非凋亡性细胞的程序性死亡(paraptosis)。该研究不仅提出了一系列新型的抗肿瘤希夫碱钌配合物,而且展示了通过调节轴向基团控制作用机理的新思路。图1. 含有胍基团的三价钌配合物3-8的合成图2. 含有脒基团的三价钌配合物10-15的合成图3. 配合物7与13的作用机理这一成果发表在Chemical Science 上,文章的第一作者是香港城市大学的博士研究生李偲和叶国华博士。该论文作者为:Cai Li, Kwok-Wa Ip, Wai-Lun Man, Dan Song, Ming-Liang He, Shek-Man Yiu, Tai-Chu Lau and Guangyu Zhu原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Cytotoxic (Salen)ruthenium(III) Anticancer Complexes Exhibit Different Modes of Cell Death Directed by Axial LigandsChem. Sci., 2017, 8, 6865, DOI: 10.1039/C7SC02205K导师介绍朱光宇http://www.x-mol.com/university/faculty/26823

来源: X-MOL 2018-02-02

Science & Nature:血检大突破,8种癌症&阿尔茨海默病的早期诊断

近期,Science 和Nature 杂志相继报道了两篇与血检有关的论文,一篇可以进行多达8种癌症的早期诊断[1],另一篇的诊断对象则是难以捉摸的阿尔茨海默病(Alzheimer's disease)[2]。癌症根据世界卫生组织的观点,如果做到早期诊断和充分治疗,许多癌症会有很高的治愈率[3]。因此,癌症的早期检测也一直是癌症研究领域的热点。不过癌症种类繁多,很难在血液中找到可靠的对应生物标志物,癌症的早期检测也一直是个难点。美国约翰霍普金斯大学Nickolas Papadopoulos等科学家近期发明了一种全新的血液检测技术——CancerSEEK,实现了多种癌症的早期诊断。这项新技术检测血液中与癌症相关的DNA和蛋白质。在1005名被临床确诊的8种常见癌症(卵巢癌、肝癌、胃癌、胰腺癌、食道癌、结直肠癌、肺癌或乳腺癌)患者中,中位数灵敏度高达70%;而且,CancerSEEK的特异性超过99%,这意味着假阳性率低于1%。这些结果让CancerSEEK完胜目前所有实际使用的癌症血检技术。CancerSEEK对8种癌症诊断的灵敏度。图片来源:Science不管是哪种癌症,癌细胞都是从普通细胞变异而来,发生突变的遗传物质使癌细胞不再正常凋亡,而是不断生长。在癌症发生过程中,一些受损的细胞会把变异的DNA释放到血液中,检测这些DNA理论上就可以进行癌症血液诊断。尽管基因检测技术飞速进步,但想通过检测血液中的DNA实现癌症的早期诊断在目前仍然非常具有挑战性。如果仅仅想查出某一种特定的癌症,那么检测尽量多种类的突变DNA能够提高准确性。但Papadopoulos的团队发现增加待测基因的数量会使癌症检出率下降。这个道理很简单,就像用搜索引擎找东西一样,关键词越多,搜索结果越准确。但同时也意味着得到的搜索结果会变少。对于大部分需要做癌症早期筛查的人群来说,不仅要告诉他们患了哪种癌症,更重要的是“是否患有癌症”。怎样才能兼顾检出率和准确性呢?研究人员的策略是“DNA搭配蛋白质”。他们选择了16种在不同癌症中经常发生突变的基因(AKT1、APC、BRAF、CDKN2A、CTNNB1、EGFR、FBXW7、FGFR2、GNAS、HRAS、KRAS、NRAS、PIK3CA、PPP2R1A、PTEN、TP53)作为检测对象,另外搭配8种常见的癌症特异性蛋白质生物标记物(CA-125、CA 19-9、CEA、HGF、Myeloperoxidase、OPN、Prolactin、TIMP-1)。这一选择使新技术的检出率和准确性都显著提高。在1005名被临床确诊的8种常见癌症患者中,包括卵巢癌、肝癌、胃癌、胰腺癌、食道癌、结直肠癌、肺癌或乳腺癌(I期至III期,均未发生转移),研究者测试了CancerSEEK的表现。结果表明,CancerSEEK对这8种癌症的中位数灵敏度为70%,其中卵巢癌检测灵敏度最高,达到98%;而乳腺癌检测灵敏度最低,只有33%;肝癌、胃癌、胰腺癌和食道癌的灵敏度在69%至98%之间,这几种癌症和卵巢癌都是难以在早期发现的种类(上图)。这项测试的假阳性率非常低,只有不到1%。在812名健康人中,仅有7人的CancerSEEK测试出现阳性结果。如此之高的特异性也是CancerSEEK的一大亮点。如果继续把患者按照不同癌症分期分组,可以看到CancerSEEK对于II期和III期癌症的中位数灵敏度分别为73%和78%。尽管相比之下早期癌症(I期)的中位数灵敏度较低(43%)(下图),但早期肝癌的灵敏度竟然高达惊人的100%。这一成绩尽管还不完美,但相比之下已经是非常大的进步了。不同癌症分期CancerSEEK的检测灵敏度。图片来源:Science血检进行癌症诊断需要面对的另一个大挑战,就是确定肿瘤的位置。试想一下,血液在全身流动,从血样分析结果中要确定身体的哪个部位出现肿瘤,这难度可想而知。研究者们使用了机器学习方法(也就是火热的AI技术)来从血检结果中预测肿瘤位置。不得不佩服AI的强大,如果预测结果的范围允许两个可能位置,这种方法的预测准确率(中位数)高达83%,其中结直肠癌最高,达到100%;就算预测结果只能有一个位置,这种方法的预测准确率(中位数)也能达到63%,其中最高的也是结直肠癌,达到84%。机器学习方法预测肿瘤位置的准确度。图片来源:Science俗话说便宜没好货,但表现优异的CancerSEEK的人均检测成本不到500美元。MD安德森癌症中心的分子病理学家Anirban Maitra表示:“这个价格非常吸引人,因为仅仅做一个结肠镜检查也要花这么多钱。”[4]不可否认,CancerSEEK还有不少地方需要提高。比如,8种蛋白检测指标中就有一种亦可受组织损伤影响,这个蛋白在关节炎等炎症疾病的患者体内也大量存在。这意味着在炎症性疾病人群中假阳性会高于1%。再比如,早期癌症患者的检测灵敏度还是偏低,而且在完全没有症状的患者身上是否继续有效还是未知数。但考虑到这一方法只需要抽血,方便度和患者接受度远超其他方法(亲身体验过结肠镜、胃镜、宫腔镜等操作的读者应该会深有感触),在癌症早期筛查中的优势仍然无可比拟。CancerSEEK距离成为真实世界中人们癌症诊断和治疗的依据还有很多路要走。但它的优异表现使人们充满信心。阿尔茨海默病相比于癌症,阿尔茨海默病显得更难以捉摸。阿尔茨海默病的发病机理至今仍没有完全确定,科学家们还在为各种假说争论不休。这也影响了相关药物的研究,多种被寄予厚望的药物临床试验相继宣告失败,而目前市场上获批的全都是对症治疗药物,并不能从根本上改变疾病进程,更谈不上治愈了。有研究表明,早期干预有望延缓阿尔茨海默病的进展。不过受限于早期诊断方法的匮乏,早期干预目前很难实现。当前阿尔茨海默病在临床上主要依赖于症状学诊断,然而这种疾病在早期时症状一般不明显,难以诊断。尽管阿尔茨海默病在极早期就会出现病理标志——β-淀粉样蛋白(amyloid-β,Aβ),但有效的检测手段也只有正电子发射断层扫描(PET)和抽取脑脊液进行Aβ的水平检测。前者需要价值数千万的设备并对受检者注射一定剂量的放射性药物,后者的操作损伤太大,不适合对于没有症状的人群进行大规模早期筛查。相比之下,血检简单方便成本低,但使用血液中的Aβ标志物进行可靠的阿尔茨海默病临床检测,到目前为止还没有任何成功的报道。这一困境在近日被打破。Nature 杂志于1月31日在线发表了日本国立长寿医疗研究中心(NCGG)Katsuhiko Yanagisawa等科学家的成果,他们发现血浆中Aβ相关肽作为生物标志物可以准确预测大脑中的Aβ负担,准确率高达约90%。Katsuhiko Yanagisawa教授。图片来源:NCGG研究者通过免疫沉淀-质谱联用方法测定血浆中多个Aβ相关肽的水平,包括β淀粉样蛋白前体蛋白(APP)的669-711肽(APP669-711)、Aβ1-42和Aβ1-40。测试使用了两个相互独立的数据集,一个发现用数据集来自日本,包含121个对象;另一个验证用数据集来自澳大利亚,包含252个样本。这些数据集中均包含了认知正常的个体、有轻度认知障碍的个体以及阿兹海默病患者。测试结果很有意思,血浆中这三种肽的水平单独并不能用于预测大脑中Aβ存在与否,但是两种肽水平的比值却可以。研究者发现,APP669-711/Aβ1-42比值、Aβ1-40/Aβ1-42比值以及二者的综合打分,都可准确预测个体大脑中Aβ阳性或者Aβ阴性的状态,其中综合打分的预测准确度最高,可达90%。这一结果也得到了PET成像结果以及脑脊液Aβ1-42水平检测结果的支持,这些血浆生物标志物与大脑中Aβ负担及脑脊液中Aβ1-42水平显著相关。Aβ相关肽预测大脑中的Aβ状态。图片来源:Nature血浆生物标志物与大脑中Aβ负担及脑脊液中Aβ1-42水平的相关性。图片来源:Nature这一研究成果使得通过血浆生物标志物检测进行阿尔茨海默病早期诊断成为了可能。Yanagisawa教授说,“我们可以使用这种新技术对易感人群进行早期筛查”,要知道,在阿尔茨海默病显现症状之前的20-30年,Aβ就已经在大脑中开始积累了。此外,这种方法使得评估阿尔茨海默病药物的疗效变得更加方便,也将促进相关药物的开发。[5]参考资料1. Detection and localization of surgically resectable cancers with a multi-analyte blood test. Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar32472. High performance plasma amyloid-β biomarkers for Alzheimer’s disease. Nature, 2018, DOI: 10.1038/nature254563. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs297/zh/4. http://www.sciencemag.org/news/2018/01/liquid-biopsy-promises-early-detection-cancer5.https://english.kyodonews.net/news/2018/02/02d438b1c0dd-japan-researchers-develop-cheap-and-easy-way-to-diagnose-alzheimers.html(本文由氘氘斋供稿)

来源: X-MOL 2018-02-01

细胞质里做道场:Nat. Chem.报道手性有机金属催化剂的抗癌新方法

癌症,又称为恶性肿瘤,是一种严重威胁人类生命和健康的疾病。据世界卫生组织(WHO)报道,癌症是全球第二大死因,2015年导致880万人死亡,从全球情况看,近六分之一的死亡由癌症造成。[1] 虽然目前治疗癌症的药物已有几十种,但是由于癌症发病机理复杂,大多数药物也只能缓解病情。因此研究新型抗癌药物及其作用机制成为了化学、生物学及医学等领域的热点。与其他药物相比,金属药物具有独特的性质,以顺铂(PtCl2(NH3)2,cisplatin)为代表的铂类配合物在癌症治疗中发挥了巨大作用,目前超过50%的化疗治疗方案中都涉及铂类药物的使用,它们主要通过与DNA作用引起肿瘤细胞凋亡。但是铂类药物毒副作用大、易产生耐药性以及对一些肿瘤治疗无效,限制了其进一步的临床使用。因此,研发高效低毒、抗耐药的非铂类金属配合物引起了科学家的广泛关注。目前,研究较深入的非铂类抗肿瘤金属配合物包括Ru、Ir、Fe、Au、Ga、Os等金属化合物,其中不乏一些化合物具有较好的抗肿瘤活性,由于与铂类配合物结构差异较大,它们具有不同于顺铂的抗肿瘤机制,展现出良好的应用前景。过渡金属Ru、Rh、Ir催化转移氢化反应是有机合成化学领域的研究热点。近年来,科学家发现这类金属可以作为转移氢化催化剂调控生物体内的活性氧(ROS)水平,利用癌细胞比正常细胞的抗氧化还原防御能力脆弱这一差异,选择性杀死癌细胞。例如英国华威大学Peter J. Sadler教授(点击查看介绍)等人发现具有半三明治结构的金属Ir(III)配合物可以催化细胞内NADH向NAD+转化,[2] 而金属Ru(II)配合物在氢给体甲酸的作用下可以催化细胞内NAD+向NADH转化,其抗癌机制可能涉及对癌细胞内的氧化还原系统和NADH调控的细胞信号通路的破坏。[3]图1. 通过转移氢化反应策略杀伤癌细胞。图片来源:Nat. Commun. [3]与铂类抗癌药物相比,这类催化剂性质的金属化合物作为抗癌药物的优势很明显:在很低剂量下就能产生很好的效果,副作用要少得多,而且其新颖的机理有利于对抗癌细胞的耐药性。基于类似策略,最近Peter Sadler教授等人以甲酸钠为氢供体,高度稳定的手性半三明治结构Os(II)配合物为催化剂,首次在细胞内实现了关键代谢中间体丙酮酸的不对称转移氢化反应。细胞实验证明,基于此催化机制可以实现癌细胞的选择性杀伤,对正常细胞的影响很小。相关成果发表在Nature Chemistry 上。Peter Sadler教授。图片来源:University of Warwick细胞内的化学环境十分复杂,一个催化剂要想在细胞中正常展现活性,首先就要有足够的稳定性。2015年,Peter Sadler教授等人就报道了金属Os(II)配合物催化芳香酮的不对称转移氢化反应,他们发现该类配合物可在磷酸缓冲溶液中稳定存在且不易分解,显示出其在细胞内进行催化不对称转移氢化反应的优势和潜力。[4]如图2所示,研究者从芳烃配位的二氯化锇二聚体出发,以手性邻苯二胺为配体,利用高压微波反应和碱处理可快速高效合成N,N配体螯合的半三明治结构Os(II)配合物2-8。2-8在甲酸/三乙胺混合溶剂中催化苯乙酮还原反应,不仅能以优秀的对映选择性生成相应产物,且催化效率也要高于钌配合物9(图3)。细胞毒性实验显示2-8对人卵巢癌细胞株A2780增殖有一定抑制作用(IC50 = 4-30 μm),其中(R,R)-构型配体的配合物与其相应(S,S)-构型异构体的IC50值相近。在IC50浓度下,配合物2-8对A2780作用24小时后,细胞内Os累积量可达到4.8-31.9 ng Os×106 cells。构效关系研究表明这类配合物的抗增殖活性受其疏水性影响,疏水性越强,肿瘤细胞对配合物摄取率越大,抑制活性越高。作者进一步研究了Os(II)配合物2在A2780癌细胞内的分布情况以及抗增殖机制,结果表明Os主要富集在细胞质(47±2%)和细胞膜/细胞器上(48±3%),可以将细胞周期阻滞在G1期,但不会诱导细胞凋亡,也不破坏细胞膜的完整性。以上实验结果表明,Os(II)配合物2具有高稳定性、高催化效率(TOF = 63.9±0.3 h-1)、较低细胞毒性(IC50 = 15.5±0.5 μm)、高细胞摄取率(30±2 ng Os×106 cells)等优点,这意味着Os(II)配合物2可以在细胞质中达到能启动催化的较高浓度,同时又不会导致细胞死亡,也就意味着有希望使用Os(II)配合物2为催化剂在细胞内开展不对称转移氢化反应研究。图2. Os(II)配合物2-8的合成。图片来源:Nat. Chem.图3. 苯乙酮的还原反应及Os(II)配合物对A2780的抗增殖活性。图片来源:Nat. Chem.丙酮酸是细胞糖代谢及体内多种物质相互转化的重要中间体,对于需要快速增殖的癌细胞来说非常关键。因此,在细胞内进行丙酮酸氢化一方面可以打乱癌细胞对能量和关键代谢物的控制,另外一方面还可以破坏癌细胞内脆弱的氧化还原平衡,进而选择性杀伤癌细胞。研究者首先在磷酸缓冲液中测试了Os(II)配合物2对丙酮酸不对称转移氢化的催化活性。以甲酸钠(4 mM)为氢源,Os(II)配合物2(10 μM)为催化剂,丙酮酸钠(2 mM)在磷酸缓冲液中的不对称转移氢化反应可以顺利发生,反应转化速率受甲酸钠用量的影响,将甲酸钠浓度由4 mM增加至30 mM时,反应转化速率提升近10倍。反应对映选择性也很好,使用(R,R)-2可得到D-乳酸盐(83% e.e.),(S,S)-2可得到L-乳酸盐(84% ee)。图4. 磷酸缓冲液中丙酮酸的不对称氢化。图片来源:Nat. Chem.随后他们在含有Os(II)配合物2或7的细胞培养液中加入甲酸钠,对卵巢癌细胞(A2780)以及正常细胞卵巢成纤维细胞(HOF)和肺成纤维细胞(MRC5)进行试验。结果表明甲酸钠的加入可大幅增加Os(II)配合物2对A2780的抗增殖活性,并且活性随着甲酸钠浓度的升高而明显增强,最高可提升约13倍。Os(II)配合物7的结果类似。值得一提的是甲酸钠的加入并没有影响细胞对Os(II)配合物2或7的摄取率。正常细胞的实验结果让人惊喜,Os(II)配合物加甲酸钠的组合并没有对细胞产生明显的影响(图5c/d),这证明了这种策略的确对癌细胞有选择性。当使用乙酸钠代替甲酸钠时,配合物2对A2780的抗增殖活性基本没有变化,这可能和乙酸钠无法作为氢供体有关(图5b)。他们还发现N-甲酰蛋氨酸(fMet)可以提高配合物2和7对前列腺癌细胞PC3的抗增殖活性,原因可能在于PC3中的肽脱甲酰化酶(PDF)可将fMet水解并产生甲酸盐。在使用N-乙酰蛋氨酸时,这种情况并不发生,因为N-乙酰蛋氨酸水解只能生成乙酸盐,无法作为氢供体。同样的规律也在Os(II)配合物7上被发现。图5. Os(II)配合物2和7在不同条件下对A2780、HOF和MRC5的抗增殖活性。图片来源:Nat. Chem.以上结果表明,Os(II)配合物对癌细胞抗增殖活性的提高很可能与涉及Os(II)配合物/甲酸钠的转移氢化反应有关。通常,细胞内乳酸脱氢酶可催化丙酮酸生成L-乳酸,D-乳酸在细胞中也存在,但浓度很低。研究者于是检测了不同条件下A2780细胞和培养液中D-乳酸盐的浓度,发现在(R,R)-2和甲酸钠存在条件下,细胞内D-乳酸盐的浓度明显升高,升高幅度大于(S,S)-2和甲酸钠的组合,而且对于细胞外的D-乳酸盐浓度,无论是(R,R)-2还是(S,S)-2在甲酸钠存在条件下都没有表现出明显影响(图6)。这确证了转移氢化反应在细胞内发生,并且具有高对映选择性。图6. 不同条件下细胞内和细胞外的D-乳酸盐浓度。图片来源:Nat. Chem.研究者初步探索了Os(II)配合物2/甲酸钠对A2780癌细胞的抗增殖机制。同Os(II)配合物2单独作用于A2780细胞类似,Os(II)配合物2/甲酸钠体系也没有诱导细胞凋亡和破坏膜的完整性。细胞周期实验显示分裂后的细胞被阻滞在G1期的数量有所增加,但并不明显,也就是说在Os(II)配合物2/甲酸钠作用下,A2780细胞G1期的阻滞效应仅稍微增强。这些都表明甲酸钠的加入并没有改变Os(II)配合物2的作用机制,只是增强了这种机制,而这种机制研究者认为与细胞生长抑制有关。由于Os(II)配合物2在细胞核上富集较少,并且没有出现S/G2M期阻滞,其抗增殖机制也并不涉及DNA作用机理。——总结——Peter Sadler教授等人首次实现了细胞内丙酮酸的不对称转移氢化反应。该反应以无毒剂量的甲酸钠为氢源,高度稳定的手性Os(II)配合物为催化剂,将丙酮酸还原成两种不同构型的乳酸,并可选择性杀死癌细胞,其作用机制可能在于影响癌细胞的代谢和氧化还原平衡。虽然丙酮酸还原产生乳酸并不太可能是癌细胞死亡的直接原因,但这一工作为癌症治疗找到了新的细胞靶点,值得进一步展开研究。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Asymmetric transfer hydrogenation by synthetic catalysts in cancer cellsNat. Chem., 2018, DOI: 10.1038/NCHEM.2918导师介绍Peter Sadlerhttp://www.x-mol.com/university/faculty/7044参考文献:1. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs297/zh/2. Liu, Z. et al. The potent oxidant anticancer activity of organoiridium catalysts. Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 3941-39463. Soldevila-Barreda, J. J., Romero-Canelón, I., Habtemariam, A. & Sadler, P. J. Transfer hydrogenation catalysis in cells as a new approach to anticancer drug design. Nat. Commun., 2015, 6, 65824. Coverdale, J. P. C. et al. Easy to synthesize, robust organo–osmium asymmetric transfer hydrogenation catalysts. Chem. Eur. J., 2015, 21, 8043-8046

来源: X-MOL 2018-01-28
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