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醒醒,蛋白质!用于肿瘤靶向治疗的酶促级联反应新策略

摘要:中国科学院化学研究所汪铭课题组设计了细胞内酶促级联反应提高胞内氧化应激水平,并进一步激活活性氧响应的蛋白质前药,基于这一原理和蛋白质递送技术发展了肿瘤靶向治疗新策略。

在过去十年中,用功能蛋白质补充因疾病而导致失调的细胞的生物治疗技术取得了巨大进展。细胞和活体层次蛋白质的功能调控对于研究蛋白质参与生命过程的化学机制,发展蛋白质生物治疗技术具有重要意义。在疾病靶向治疗中对蛋白质活性的选择性控制是蛋白质疗法的一个重要难题。特别是,能够选择性地控制蛋白质活性,使其在被外源性刺激或恶性细胞微环境(内源性因素)“激活”之前保持“惰性”,这种技术非常有限。因此,研究设计功能蛋白质的可控激活新策略势在必行。

近来,基于化学修饰和脱笼化学反应的策略在蛋白质外源性干预和功能激活方面得到了广泛应用。利用疾病细胞微环境为靶点进行蛋白质化学修饰和功能调控的设计,在细胞命运干预和发展靶向蛋白质治疗药物方面具有重要意义。中国科学院化学研究所汪铭课题组围绕活体蛋白质递送与功能调控开展研究,先后发展了一系列基于细胞微环境(如活性氧、酶等)调控蛋白质功能激活的新方法。

近期,他们通过酶促级联反应增强胞内氧化应激水平,实现了蛋白质前药的高效激活,并基于这一原理发展了肿瘤靶向治疗新策略。如图1A所示,NQO1(NADH:醌氧化还原酶-1)是一种在肿瘤细胞中过表达的醌氧化还原酶,可以催化小分子药物β-Lapchone(β-Lap,拉帕醌)的还原反应,有效增强肿瘤细胞活性氧水平,进而催化苯硼酸偶联的蛋白质前药RNase A-NBC的去化学修饰,激活蛋白质功能。

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1 基于NQO1酶促级联反应的蛋白质前药激活策略及肿瘤靶向治疗应用

基于以上原理,作者首先设计了阳离子脂质体载体EC16-80用于蛋白质RNase A-NBC和小分子β-Lapchone的细胞递送(图1B)。研究发现,向NQO1过表达的肿瘤细胞MCF-7同时递送RNase A-NBC和β-Lapchone可在胞内原位激活RNase A-NBC并有效抑制细胞增殖,而在相同条件下单独递送RNase A-NBC或β-Lapchone对MCF-7细胞增殖的抑制能力较弱(图2A)。研究同时发现蛋白质RNase A-NBC的级联激活与细胞内NQO1的表达水平密切相关。肿瘤细胞(如MCF-7, A549,HeLa, SiHa等)内NQO1活性明显高于正常细胞(如293T, HK-2, NIH-3T3等),EC16-80/RNase A-NBC/β-Lapchone递送可高效抑制肿瘤细胞增殖,而对正常细胞抑制能力则较弱,表明上述蛋白质级联激活策略有望用于发展靶向肿瘤治疗技术(图2B)。进一步,作者利用MCF-7小鼠肿瘤模型研究了RNase A-NBC的肿瘤原位激活及治疗应用。静脉注射EC16-80/RNase A-NBC/β-Lapchone可实现RNase A-NBC在肿瘤部位的高效富集,而RNase A-NBC的肿瘤原位激活有效抑制了肿瘤增长,且优于RNase A-NBC或β-Lapchone的单独递送(图2C)。

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2  RNase A-NBC的细胞及肿瘤组织激活有效抑制肿瘤细胞增殖

综上所述,作者通过设计肿瘤细胞内NQO1催化的小分子药物β-Lapchone的还原反应,增强了细胞氧化应激水平,并进一步通过级联反应实现了活性氧响应的蛋白质前药RNase A-NBC在细胞内和肿瘤部位的原位激活,报道了一种基于蛋白质可控激活的肿瘤靶向治疗新策略。该工作以Research Article 的形式发表在中国化学会旗舰新刊CCS Chemistry。


文章详情:

In Vivo Activation of Pro-Protein Therapeutics via Chemically Engineered Enzyme Cascade Reaction

Xiaoti Yang , Jin Chang , Ying Jiang , Qiaobing Xu , Ming Wang* & Lanqun Mao*

Citation:CCS Chem. 2020, 2, 780–790

文章链接:https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000224

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