Angew内封面:青蒿素/(异)喹啉双剑合璧,抗击多重耐药性疟疾

恶性疟原虫曾是威胁人类生存的一类高致命真核类病原微生物。据世界卫生组织统计,在全世界恶性疟原虫每年约造成200多万人感染和100多万人死亡。目前临床所用的,有两类抗疟核心药物——青蒿素(ART,图1A)和喹啉衍生物(CQ,图1B)。青蒿素,是著名科学家、2015年诺贝尔生理或医学奖得主、共和国勋章获得者屠呦呦带领的团队从中国传统药用植物青蒿中提取的(本文介绍的论文原文特别强调“Dedicated to Professor Youyou Tu”)。喹啉和异喹啉,因其特有骨架,在临床上以不同商品药物形式对抗疟疾。图1. A 青蒿素及其衍生物,B 喹啉衍生物。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.令人担忧的是,近年来耐药性疟原虫呈现上升趋势。其中的两株代表性疟原虫Dd1和K1具有多重耐药性,耐喹啉、叶酸拮抗物、嘧啶胺、环胍等药物,包括青蒿素及其半合成衍生物也受到了这类耐药病原微生物威胁,这给疟疾治疗带来严峻的新挑战。为了应对耐药性,世界卫生组织推动基于青蒿素的多药物联合治疗,这其中就包括青蒿素和喹啉类药物的联合用药。既然青蒿素和(异)喹啉可以联合用药,那将两者核心骨架用化学方式键合成一个分子会不会治疗疟疾更有效呢?于是,有了青蒿素和(异)喹啉杂合式化合物的尝试(图2)。然而,对于这类“双核”式杂合分子的研究还处于初级阶段,特别是应用不同连接体构建杂合分子,系统探索结构-活性关系,鉴定杂合分子的潜在靶点,还未有报道。图2. 青蒿素和奎宁杂合分子。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.本文介绍的Angew. Chem. Int. Ed.内封面论文作者来自德国、中国、巴西和新加坡四国,他们致力于构建青蒿素和(异)喹啉杂合分子,评估其抗击多重耐药疟疾的活性,并通过蛋白组学鉴定其潜在靶点。他们按合成双核连接子的化学反应方式,将杂合分子合成设计分为两种方案:(1)铜(I)催化点击反应,(2)酯化、形成酰胺键、原位形成的三级酰胺分子内重排生成二级酰胺。他们共合成17个新杂合分子(图3)。图3. 本文中合成的青蒿素—(异)喹啉杂合分子1-17。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.在铜(I)催化点击反应中,他们设计的连接基团是生物活性多样的三唑结构,五元三唑环通过1,3-偶极环加成反应合成,是应用极为广泛的连接模块。在方案A中,异喹啉衍生炔(化合物20、21)通过与青蒿琥酯基叠氮化物(22)的点击反应——铜催化的端炔与叠氮的环加成反应(CuAAC)合成青蒿素-异喹啉杂合分子1-3(图4A)。在方案B中,4-叠氮-7-氯喹啉(27)和青蒿琥酯衍生物(23-26)以及二氢青蒿素衍生物(28-32),通过1,3-偶极环化生成青蒿素-喹啉杂合分子4-12(图4B)。在方案C中,青蒿琥酯35与相应的7-氯喹啉衍生物前体(33、34、36、37)反应合成杂合分子13-16,其中35与一级醇34和33的酯化反应分别得到杂合分子13和14,与胺类36和37的酰胺偶联反应分别得到15和16(图4C)。自此,他们得到了16个杂合分子,其中化合物16含炔烃基团。由于蛋白组学鉴定化合物靶蛋白需要炔烃标记分子,化合物16符合要求,还需另一个标记分子,而抗疟活性部分研究表明杂合分子14的活性很好,所以在方案D中,他们对14进行进一步修饰,通过原位形成的三级酰胺的分子内重排得到带炔烃的二级酰胺杂合分子17(图4D)。图4. 杂合分子1-17的合成。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.在体外抗疟活性实验中,研究团队选择耐药疟原虫Dd2和K1、药物敏感疟原虫3D7进行测试。合成的“双核”青蒿素-(异)喹啉杂合分子相对于“单核”分子,展示了更强的抗疟活性,尤其是针对耐药疟原虫,其EC50值(半数有效浓度)从纳摩(nM)量级变为皮摩(pM)量级。研究发现连接基团的类型、杂合物的立体化学结构会显著影响化合物的抗疟活性,连接基团的碳链长度则没有明显影响。其中,杂合分子12、14、15、16对Dd2、K1和3D7都有极高抑制活性,化合物15对K1的EC50值甚至达到780 pM。在体内抗疟活性实验中,他们构建小鼠恶性疟疾模型。结果显示,化合物14相比于青蒿琥酯和化合物12对小鼠的治愈率更高。在化合物14皮下给药有效的基础上,他们对感染小鼠进行了口服给药实验。结果显示相比青蒿琥酯,化合物14依然有显著治愈效力。事实上,青蒿琥酯只能皮下注射,没有口服效用,且青蒿素、青蒿琥酯抗疟作用迅速,半衰期短。化合物14口服抗疟有效,药效作用持久,能有效延缓疟原虫复发(表1)。表1. 化合物14和青蒿琥酯抗血液期恶性疟感染小鼠的药理作用。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.鉴于杂合分子14显著的抗疟活性,研究团队评估其治疗潜力。结果显示,化合物14对感染恶性疟小鼠的治愈率3倍于青蒿琥酯。为进一步探索化合物14抗疟活性的潜在机制,研究团队构建恶性疟感染小鼠模型,分析14在抑制疟色素(hemozoin)形成方面的效力。有趣的是,青蒿琥酯能降低疟原虫数量,却不能抑制疟色素的形成,喹啉能抑制疟色素形成,却不能降低疟原虫数量。只有结构上“双核”的化合物14既能降低疟原虫数量,又能抑制疟色素形成,且两种效力都分别强于青蒿琥酯和喹啉(图5)。图5. 化合物14、青蒿琥酯、喹啉治疗恶性疟感染小鼠抑制疟原虫、疟色素和血红素的结果。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.最后,研究团队还利用炔基标记的杂合分子16,、17进行蛋白组学分析,发现了HSP70、rhoptry2、40s核糖核蛋白S15等一系列作用靶标。面对来势汹汹的耐药性疟疾,现有一线药物青蒿素、(异)喹啉无论是“单刀赴会”的单一疗法,还是“携手并肩”的组合疗法,都日渐倾颓。然而两者“双剑合璧”优化结构得到的杂合分子则可能为抗疟药开发事业开辟新的天地。这一神奇“双核”药物组合,使笔者脑洞大开,联想到国际足坛曾经的传奇“双核”——罗本和里贝里的“罗贝里”组合。笔者希望青蒿素-(异)喹啉两大明星药物的完美结合,也会像足坛的“罗贝里”一样在抗疟药物中光芒万丈。曾经叱咤足坛的双核“罗贝里”。图片来源于网络原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Artemisinin–(Iso)quinoline Hybrids by C–H Activation and Click Chemistry: Combating Multidrug-Resistant MalariaAysun Çapcı, Mélanie M. Lorion, Hui Wang, Nina Simon, Maria Leidenberger, Mariana C. Borges Silva, Diogo R. M. Moreira, Yongping Zhu, Yuqing Meng, Jia Yun Chen, Yew Mun Lee, Oliver Friedrich, Barbara Kappes, Jigang Wang,* Lutz Ackermann,* Svetlana B. Tsogoeva*Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 13066–13079, DOI: 10.1002/anie.201907224(本文由水村山郭供稿)

来源: X-MOL 2019-11-09

日本国立放医研张明荣教授团队:针对恶性黑色素瘤的靶向同位素治疗候选药物211At-AITM

恶性黑色素瘤是一种罕见癌症,在日本每10万人中约有1~2人罹患此病,不仅是皮肤,还会出现在眼球、鼻腔、口腔及食道等粘膜上。如果恶性黑色素瘤仅发生在皮肤和粘膜上,可以通过外科手术切除病变部位及其周围组织进行治疗。但如果生长在脸部和头颈部,则会严重损害这些部位的功能和姿容,多数情况都难以通过外科手术治疗,而是结合放疗和抗癌药等进行治疗。另外,如果已经转移到淋巴结和其他器官,则需要结合外科手术、放疗和抗癌药等药物疗法进行治疗,但以往的放射疗法难以生效,预后较差,需要开发新的治疗方法。近年来,通过免疫检查点抑制剂和分子靶向药物提高疗效的方法被看好,但研究发现,这两种方法针对恶性黑色素瘤均有不足,而且医疗效果也因人而异。近年来,靶向核素治疗成为了一种治疗效果优异、安全系数高、毒副作用小的癌症治疗方式。目前,美国食品药品监督管理局(FDA)已经批准一种名为Lutathera(lutetium 177 dotatate)用于治疗神经内分泌肿瘤。研究人员认为开发针对恶性黑色素瘤的靶向核素药物可以克服传统疗法的不足,并且对于小的转移病灶可以实现有效治疗。近日,日本国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构(以下简称“量研”)的研究人员利用量研自有的加速器成功制造了放射性核素211At(砹-211)。221At是一种半衰期为7.2 小时的放射性核素,其可以释放射程为几个细胞直径之和的的α射线,这些射线会对命中的细胞进行杀伤破坏。因此,如果能将211At有效地送到癌细胞中,则有望做到在不损害周围正常组织的情况下治疗癌症。为了开发靶向递送211At的药物分子,研究人员瞄准了高密度存在于癌细胞表面的蛋白质——代谢型谷氨酸1型受体(mGluR1)。已有文献报道表明mGluR1存在于恶性黑色素瘤和乳腺癌等多种癌细胞的表面,与癌症的形成和生长密切相关。因此,mGluR1有望成为开发癌症诊断和治疗药物的靶标。张明荣教授课题组数年前就开始了针对mGluR1的核医学影像分子的开发。目前该课题组已成功开发出多种靶向mGluR1的正电子发射断层显像(PET:Positron Emission Tomography)药物(18F和11C标记的小分子诊断药物)。利用这些药物,成功对活体动物的癌细胞实施了PET成像(图1)[1,2]。图1. 使用18F-FITM对mGluR1进行PET成像。本研究利用此前开发与mGluR1结合的化合物,结合多年放射性药物开发积累的技术和临床试验经验,新开发了与mGluR1结合并释放α射线的新型靶向同位素治疗候选药物211At-AITM(4-211At-astato-N-(4-(6-(isopropylamino)pyridine-4-yl)-1,3-thiazol-2-yl)-N-methylbenzamide)(图2),并利用模型小鼠,评价了针对恶性黑色素瘤的抑癌效果。图2. 211At-AITM的结构式。研究人员首先合成了与mGluR1强力结合的低分子化合物ITM(N-(4-(6-(isopropylamino)pyrimidin-4-yl)-1,3-thiazol-2-yl)-N-methylbenzamide),随后,成功对ITM 进行了211At标记,最终得到了211At-AITM。随后,研究人员向皮下移植了恶性黑色素瘤细胞的模型小鼠静脉注射一次211At-AITM,记录了肿瘤尺寸的变化。最终确认,分别注射1.11 MBq、1.85 MBq和2.96 MBq的211At-AITM的群组,与没有注射211At-AITM的群组相比,均显著抑制了癌细胞的繁殖(图3)。在注射2.96MBq的211At-AITM的群组,部分小鼠的肿瘤完全消失。另一方面,注射211At-AITM的所有群组均未观察到诸如体重减轻等副作用。图3. 通过注射211At-AITM抑制癌细胞繁殖的效果比较。基于上述结果,该课题组正在探究211At-AITM对其他高表达mGluR1肿瘤和转移瘤的治疗效果。研究人员表示,目前他们正在对该药物进行进一步优化,乐观估计,该药物有希望在未来几年推向临床。上述成果于近日发表在美国核医学会的核医学权威期刊Journal of Nuclear Medicine 。文章的共同第一作者量研量子医学医疗部门放射线医学综合研究所(以下简称“放医研”)先进核医学基础研究部的主任研究员谢琳和研究员破入正行,论文的通讯作者是放医研先进核医学基础研究部部长张明荣教授。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):131I-IITM and 211At-AITM: Two Novel Small-molecule Radiopharmaceuticals Targeting Oncoprotein Metabotropic Glutamate Receptor 1Lin Xie, Masayuki Hanyu, Masayuki Fujinaga, Yiding Zhang, Kuan Hu, Katsuyuki Minegishi, Cuiping Jiang, Fuki Kurosawa, Yukie Morokoshi, Huizi Keiko Li, Sumitaka Hasegawa, Kotaro Nagatsu, Ming-Rong ZhangJournal of Nuclear Medicine, 2019, DOI: 10.2967/jnumed.119.230946参考文献:1. Xie, L., Yui, J., Fujinaga, M., Hatori, A., Yamasaki, T., Kumata, K., Wakizaka, H., Furutsuka, K., Takei, M., Jin, Z.-H., Furukawa, T., Kawamura, K., and Zhang, M.-R. (2014) Molecular imaging of ectopic metabotropic glutamate 1 receptor in melanoma with a positron emission tomography radioprobe 18F-FITM, International Journal of Cancer,135, 1852-1859.2. Fujinaga, M., Xie, L., Yamasaki, T., Yui, J., Shimoda, Y., Hatori, A., Kumata, K., Zhang, Y., Nengaki, N., Kawamura, K., and Zhang, M.-R. (2015) Synthesis and Evaluation of 4-Halogeno-N-[4-[6-(isopropylamino)pyrimidin-4-yl]-1,3-thiazol-2-yl]-N-[11C]methylbenzamide for Imaging of Metabotropic Glutamate 1 Receptor in Melanoma, Journal of medicinal chemistry 58, 1513-1523.

来源: X-MOL 2019-10-20

郭子建、何卫江团队Angew. Chem.:“光激活”溶酶体逃逸的铂配合物抗肿瘤新策略

药物的选择性激活是智能化抗肿瘤药物设计的重要手段。南京大学化学化工学院配位化学国家重点实验室郭子建(点击查看介绍)、何卫江(点击查看介绍)研究团队最近报道了一种新型的“光活化”铂类抗肿瘤配合物,可在光照下实现溶酶体逃逸从而有效实现核DNA损伤,达到抗肿瘤的目的。利用光照的精确控制,可避免对正常细胞中药物的激活毒性,同时提升肿瘤胞内铂配合物的稳定性,从而增强对癌细胞的杀伤。顺铂(cisplatin)是一种临床常见的金属抗肿瘤药物,自1978年被美国FDA批准用于临床癌症治疗,在睾丸癌、卵巢癌、头颈癌、肺癌、淋巴瘤和膀胱癌等的治疗中显示了较好疗效,成为最为成功的抗肿瘤化疗药物之一。一般认为顺铂在细胞内经水解后与核DNA结合而阻止DNA复制,从而杀死肿瘤细胞。然而,顺铂对细胞的“无差别攻击”对癌症病人产生了很大的毒副作用。如何降低铂类药物的毒副作用成为抗肿瘤药物研究的重要方向之一。图1. 顺铂注射液及其结构式铂类药物抗肿瘤的主要作用靶点是核DNA,因此任何影响铂与DNA结合的因素都会导致铂药的失活或肿瘤的耐药,如铂配合物被溶酶体吞噬酸解、被谷胱甘肽结合等最终均导致金属铂泵出胞外而失活。采用生物大分子药物类似的“溶酶体逃逸 (lysosomal escape)”机制,南京大学化学化工学院配位化学国家重点实验室郭子建、何卫江研究团队发展了一种具有“光活化”溶酶体逃逸功能的光敏性铂配合物,有利于克服上述失活机制(Pt-BDPA,图2),并有望利用光照的精确控制特点实现对实体肿瘤的选择性损伤。设计的这种简单的铂类小分子配合物Pt-BDPA是一种较弱的光敏剂。它通过能量依赖的吞噬方式进入细胞并被限制在溶酶体中。因未能与核DNA的结合,化合物对肿瘤细胞和正常细胞均显示很弱的暗毒性,为“溶酶体限制状态”。对细胞进行光照刺激时,Pt-BDPA诱导产生活性氧(ROS)破坏溶酶体,从而释放铂配合物,实现化合物的“溶酶体逃逸”,进而与核DNA结合而对细胞产生明显的毒性。同时研究发现光诱导ROS还导致胞内GSH含量因氧化和降低,有效提高了铂药进入细胞核与DNA结合的浓度,最终大大提高了铂配合物的抗肿瘤活性。图2. 具有“光激活”溶酶体逃逸机制的Pt-BDPA对正常细胞和肿瘤细胞的作用示意图通过对MCF-7, A549及HeLa等多个细胞系的MTT研究表明,在无光照条件下Pt-BDPA的IC50明显大于50 μM,而进行短时间光照则其IC50值仅为3-6 μM。同时化合物对多种正常细胞的暗毒性也较低(IC50明显大于50 μM)。研究还表明这种光照后导致的细胞损伤主要源于铂配合物的化学损伤,而非光诱导ROS导致的损伤。该研究对于推动下一代铂类药物的设计具有重要的科学意义和应用价值,也为克服化疗药物副作用的研究开辟了新途径。进一步发展近红外光光激活溶酶体逃逸铂配合物将有利于获得适用于临床应用的新型铂药体系,将为铂类药物的临床抗肿瘤拓展应用提供新的基础。该工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.,通讯作者为南京大学何卫江教授、郭子建院士和南京师范大学化学与材料科学研究院刘红科教授。第一作者是南京师范大学化学与材料科学学院博士后薛旭玲博士。同时,中国药科大学药学院钱程根博士也参与该文章的研究工作。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目和青年项目等资助,同时特别感谢南京大学配位化学重点实验室、南京大学公共仪器中心以及南京师范大学提供的研究平台支持。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):Photoactivated Lysosomal Escape of a Monofunctional PtII Complex Pt-BDPA for Nucleus AccessXuling Xue, Chenggen Qian, Hongbao Fang, Hong-Ke Liu, Hao Yuan, Zijian Guo, Yang Bai, Weijiang He.Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 12661-12666, DOI: 10.1002/anie.201906203研究团队简介南京大学郭子建院士团队长期从事生命相关金属、无机小分子以及药用金属的化学生物学研究,发展了一系列探针研究工具和众多的新型结构金属抗肿瘤配合物和传输体系。作为团队成员何卫江教授主要关注光学成像探针及其成像方法研究和光敏化金属药物的探索。南京师范大学刘红科教授长期从事新型金属药物尤其是金属有机钌抗肿瘤研究工作。郭子建https://www.x-mol.com/university/faculty/11597 何卫江https://www.x-mol.com/university/faculty/11502

来源: X-MOL 2019-10-20

基因编辑制导的精准前列腺癌靶向磁共振

前列腺癌是泌尿外科男性最常见的恶性肿瘤之一。随着前列腺特异抗原(PSA)筛查的普及,早期诊断前列腺癌已成为可能。精准的影像学诊断是前列腺癌早诊早治的关键,磁共振成像(MRI)作为前列腺癌的最佳影像检查之一,在其诊断、分级、分期和穿刺定位等方面发挥着重要的作用。局部治疗是目前国际领先的早期前列腺癌治疗方式,其特点是通过影像定位,只针对病灶及周围组织进行治疗,力争通过最小的创伤,尽可能保留正常前列腺组织和重要生理功能。纳米靶向技术的出现使更为精准的前列腺癌MRI成像和局部治疗成为可能,但由于人体正常组织的吸收与廓清、纳米探针靶向效率的上限等问题,单纯依靠对纳米分子探针自身的改进和发展,嫁接靶向功能分子,实现临床对早期、微小肿瘤病变的诊疗要求已逐渐陷入瓶颈。近期,美国麻省医学院的韩纲教授课题组和天津医科大学的牛远杰教授团队反其道而行之,从肿瘤着手,用基因编辑方法特异性主动增强前列腺癌靶点,发展新全新无创诊疗方法。本文发表在近期Advanced Materials上,并被选为 Inside Cover。该研究团队通过协同运用前列腺癌特异性启动子、基因重组、在体基因转染及超小纳米肿瘤靶向探针等先进技术,在国际上首次实现了应用基因技术增强纳米探针对前列腺癌的特异性和靶向性的磁共振成像研究。该研究结果显示,基因与纳米探针的联合应用,可在生物安全性前提下,利用基因技术在活体中实现肿瘤组织特异性靶点的定向扩增,进而在不改变纳米探针的条件下,大幅提高该探针对前列腺癌组织的靶向递送效率,显著提高单纯纳米探针对超小、早期前列腺癌的MRI检出。本文第一作者赵阳博士指出:“该研究可用于提高各类成像和治疗纳米探针对前列腺癌的靶向递送效果,减少手术后功能性损伤和病患对激素治疗恐惧,具备清晰的临床转化前景,适用于前列腺癌的早诊早治。同时,该技术还可将基因探针更换为其他类型的组织特异性启动子,用于增强纳米探针对其他肿瘤的靶向性和递送效果,有望进一步应用于多种恶性肿瘤的诊疗之中。”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):Enhancing Prostate-Cancer-Specific MRI by Genetic Amplified Nanoparticle Tumor HomingYang Zhao, Jing Peng, Jinyi Yang, Enlong Zhang, Ling Huang, Hong Yang,  Eugenia Kakadiaris, Jingjin Li, Bin Yan, Zhiqun Shang, Ning Jiang, Xuening Zhang, Gang Han,* Yuanjie Niu*Adv. Mater., 2019, 31, 1900928, DOI: 10.1002/adma.201900928导师介绍韩纲https://www.x-mol.com/university/faculty/48467  

来源: X-MOL 2019-10-08

阐明细胞与氧气如何“互动”,三位科学家获2019年诺贝尔生理学或医学奖

2019年诺贝尔生理学或医学奖于10月7日揭晓,美国哈佛大学医学院教授William G. Kaelin Jr.、英国牛津大学教授Peter J. Ratcliffe爵士、美国约翰霍普金斯大学教授Gregg L. Semenza因为在“细胞如何感应和适应氧气供应”中的研究和发现而获奖。Gregg L. Semenza教授、Peter J. Ratcliffe爵士、William G. Kaelin Jr.教授William G. Kaelin Jr.教授于1957年出生于美国纽约。他在杜克大学获得医学博士学位,随后在约翰霍普金斯大学和达纳-法伯癌症研究所进行了内科和肿瘤学的训练。2002年,他成为哈佛医学院的正式教授。自1998年以来,他一直是霍华德·休斯医学研究所的研究人员。Peter J. Ratcliffe爵士于1945年出生于英国兰开夏郡。他毕业于剑桥大学,随后在牛津大学成立了自己的独立研究小组,并于1996年晋升为教授。Gregg L. Semenza教授于1956年出生于美国纽约。他在哈佛大学获得生物学学士学位,并于宾夕法尼亚大学获得博士学位(MD/PhD)。在约翰霍普金斯大学完成博士后训练之后留校任教,并于1999年晋升为教授。氧气的重要性不用多提,近期看过《攀登者》的读者应该都能有直观的感受。包括人类在内,地球上的动物都需要氧气才能生存。但氧气如何影响细胞的生命活动,细胞又如何适应氧气水平的变化,这些问题科学家们却一直没能研究的很清楚。这三位科学家的工作,正是揭示了这些重要过程的分子机制。这不仅为我们了解氧气水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础,也为抗击贫血、癌症和许多其他疾病的新策略铺平了道路。缺氧诱导因子HIF的发现促红细胞生成素(EPO)激素水平的升高是对低氧水平(缺氧)的关键生理响应,这会导致机体增加红血球的产生。这一现象在20世纪初就已为人所知,但是氧气水平的变化如何诱导这一现象发生仍然并不清楚。Gregg Semenza教授研究了EPO基因,以及氧气水平的变化如何调控这一基因。他们使用基因修饰小鼠进行实验,发现位于EPO基因旁边的特定DNA片段介导了对缺氧的响应。Peter Ratcliffe爵士也研究了EPO基因的氧气依赖性调控,两个研究小组都发现,几乎所有组织中都存在氧传感机制,而不仅只存在于通常产生EPO的肾细胞中。这些重要发现表明,该机制在许多不同的细胞类型中起作用,是一种通用机制。Gregg Semenza教授的进一步研究发现,一种蛋白质复合物能够以一种氧依赖的方式与上述DNA片段结合,他称这种复合物为缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor, HIF)。1995年,Gregg Semenza教授发表了他的一些关键发现,包括鉴定编码HIF的基因。HIF由两种不同的DNA结合蛋白组成,即所谓的转录因子,现在称为HIF-1α和ARNT。缺氧条件下细胞响应的分子机制“意外”的VHL当氧气水平很高时,细胞中几乎没有HIF-1α,而当氧气水平低于正常值时,HIF-1α的水平会增加,可以结合并调节EPO基因以及其他具有HIF结合DNA片段的基因(图1)。这是因为,正常氧气水平下,一种被称为蛋白酶体的细胞机器(蛋白酶体的发现荣获了2004年诺贝尔化学奖)会迅速降解HIF-1α,而在缺氧情况下,HIF-1α的降解却被抑制。在蛋白酶体降解HIF-1α之前,一种小肽——泛素(ubiquitin)会作为“降解标签”加到HIF-1α蛋白上,不过,泛素如何以氧依赖的方式结合HIF-1α仍然是一个未解之谜。答案来自一个意想不到的方向。大约在Semenza和Ratcliffe探索EPO基因调控的同时,William G. Kaelin Jr.教授正在研究一种遗传综合征,即von Hippel-Lindau's disease(VHL病)。这种遗传疾病会导致具有遗传性VHL突变的家族罹患某些癌症的风险急剧增加。Kaelin教授发现VHL基因编码的一种蛋白质可防止癌症发作。意外的是,Kaelin教授还发现显示缺乏功能性VHL基因的癌细胞中会出现缺氧调节基因的异常高水平表达,而当VHL基因重新引入癌细胞后,这些基因表达恢复了正常水平。这些线索表明VHL以某种方式参与了对缺氧响应的调控。来自几个研究小组的其他线索表明,VHL是一个蛋白质复合物的一部分,该复合物用泛素标记蛋白质,加上“降解标签”的蛋白质随后在蛋白酶体中降解。Ratcliffe和他的研究小组随后做出了一项关键发现:证明VHL可以与HIF-1α相互作用,这对于正常氧水平下HIF-1α的降解是必需。这最终将VHL与HIF-1α联系起来,VHL这个“意外发现”也参与了细胞对于氧气水平变化的响应。细胞如何感应氧气水平变化?上述工作仍然不能完全细致地解释氧气水平如何调节VHL和HIF-1α之间的相互作用,也就是说,前面的工作揭示了细胞在氧气水平发生变化时如何做出正确响应,但细胞是如何“知道”氧气水平发生了变化的呢?Kaelin和Ratcliffe都猜测氧气感应的关键应该还与HIF-1α有关,答案可能就在蛋白结构域中的某个位置。2001年,在两篇同时发表的文章中他们报道,在正常的氧气水平下,HIF-1α的两个特定位置处会加上羟基(图1)。这种蛋白质修饰过程被称为脯氨酰羟化(prolyl hydroxylation),使得VHL能够识别并结合HIF-1α,从而解释了正常氧气水平如何通过氧敏感酶(即脯氨酰羟化酶prolyl hydroxylases)来控制HIF-1α的快速降解。Ratcliffe等人的进一步研究确定了相关的脯氨酰羟化酶。研究还表明,HIF-1α的基因激活功能也受到氧依赖羟基化作用的调节。这些发现揭示了细胞的氧气感应机制。细胞对氧气的感应和适应影响生理功能和病理过程氧气感应使得多种组织细胞能够调整新陈代谢以适应变化的氧气水平,例如剧烈运动中的肌肉组织。此外,新血管生成、红细胞产生、免疫系统响应以及许多其他生理功能也可以通过氧气感应机制进行微调。此外,氧气感应也与许多疾病有关。例如,患有慢性肾功能衰竭的患者通常由于EPO表达降低而患有严重的贫血。如上所述,EPO由肾脏中的细胞产生,对于控制红细胞的形成至关重要。此外,氧调节机制在癌症中具有重要作用。三位科学家的贡献不仅帮助我们了解氧气与细胞的“互动”,也为研发治疗贫血、癌症等多种疾病的治疗方案奠定了坚实基础。关键论文Semenza, G.L, Nejfelt, M.K., Chi, S.M. & Antonarakis, S.E. Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3' to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci USA, 1991, 88, 5680-5684Wang, G.L., Jiang, B.-H., Rue, E.A. & Semenza, G.L. Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension. Proc Natl Acad Sci USA, 1995, 92, 5510-5514Maxwell, P.H., Wiesener, M.S., Chang, G.-W., Clifford, S.C., Vaux, E.C., Cockman, M.E., Wykoff, C.C., Pugh, C.W., Maher, E.R. & Ratcliffe, P.J. The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature,  1999, 399, 271-275Mircea, I., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., Salic, A., Asara, J.M., Lane, W.S. & Kaelin Jr., W.G. HIFa targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: Implications for O2 sensing. Science, 2001, 292, 464-468Jakkola, P., Mole, D.R., Tian, Y.-M., Wilson, M.I., Gielbert, J., Gaskell, S.J., von Kriegsheim, A., Heberstreit, H.F., Mukherji, M., Schofield, C.J., Maxwell, P.H., Pugh, C.W. & Ratcliffe, P.J. Targeting of HIF-α to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science, 2001, 292, 468-472注:以上内容编译自诺贝尔奖官方网站,图片等内容版权归属于Nobelprize.orghttps://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/summary/往年诺贝尔生理学或医学奖回顾:2016年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,大隅良典因发现自噬机理获奖2017年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,发现控制“昼夜节律”分子机制的三位美国科学家获奖“肿瘤免疫治疗”获青睐,两位先驱获2018年诺贝尔生理学或医学奖

来源: X-MOL 2019-10-07

UCLA顾臻团队Matter:构建抗癌脂肪细胞

近日,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的顾臻教授(点击查看介绍)团队在Cell 子刊Matter 上发表论文,他们利用脂肪细胞来递送抗癌药物,提出了利用肿瘤微环境中脂肪酸代谢途径促进药物递送的新思路。该团队在动物模型上验证,共轭亚油酸(rumenic acid)可改造脂肪细胞,使其招募机体免疫系统攻击肿瘤细胞,并与基于脂肪酸代谢途径设计的一种新型阿霉素(doxorubicin)前药联用,显著抑制肿瘤生长及术后肿瘤复发。这一研究较为系统地论证了脂肪细胞在抗癌细胞疗法上的应用,有望建立肿瘤以及其他脂代谢相关疾病的新型治疗技术平台。载药脂肪细胞示意图。图片来源:Matter肿瘤在增殖的过程中,可招募机体多种细胞共同参与促进肿瘤细胞生长和转移,并抑制机体免疫系统的攻击。其中脂肪细胞可释放游离脂肪酸为肿瘤生长提供能量,同时,肿瘤周围脂肪组织可以释放激素、炎症因子等协同促进肿瘤的炎症环境。研究表明,肿瘤周围脂肪组织可招募巨噬细胞浸润肿瘤组织,并抑制效应T细胞等免疫细胞对肿瘤的攻击,进而在肿瘤的增殖、转移等过程中扮演“帮凶”的角色。另外,脂质分子代谢通路是肿瘤对抗化疗药物的耐药机制之一。因此,靶向肿瘤周围脂肪细胞以及脂质代谢通路成为了近年来药物设计的新思路。载药脂肪细胞可通过局部注射作用于肿瘤组织或术后创面中。图片来源:Matter在这项工作中,研究团队首次将脂质分子代谢通路用于抗癌药物递送,并用共轭亚油酸改造脂肪细胞。改造后的脂肪细胞能抑制肿瘤生长,并招募机体免疫细胞杀伤肿瘤细胞。与此同时,研究人员设计了响应肿瘤微环境中活性氧(reactive oxygen species, ROS)的阿霉素前药。通过和油酸分子连接,这种前药分子与脂肪细胞的相容性得到了显著提高,并能在肿瘤细胞里高活性氧的环境中转变为阿霉素,从而提高对肿瘤细胞的选择性杀伤效果。另外,共轭亚油酸能够显著提高这种前药分子在脂肪细胞中的载药量。“改造后的脂肪细胞就像‘特洛伊木马’,能够利用癌细胞本身的代谢途径,实现对癌细胞较为特异性的杀伤。”本文第一作者、顾臻教授团队温迪博士介绍道。研究团队通过计算机模拟以及实验证明了利用脂肪酸代谢途径递药的可行性,该前药分子可以与脂肪酸结合蛋白4(fatty acid binding protein 4)结合,通过癌细胞的脂肪酸转运途径递送到癌细胞内,从而提高了药物的转运效率和毒性。更重要的是,肿瘤细胞诱发的脂滴分解过程显著促进了脂肪细胞中的药物释放,加强了药物对肿瘤细胞的杀伤效果。共轭亚油酸与阿霉素前药的装载及作用示意图。图片来源:Matter阿霉素前药的化学结构示意图。图片来源:Matter值得一提的是,这种利用肿瘤微环境细胞作为药物载体的递药方式,有望为细胞疗法开辟新的思路。而利用代谢途径递药的方式,可提高药物在肿瘤组织中的吸收,为肿瘤以及其他与脂代谢相关的疾病的药物设计提供新的方向。顾臻教授介绍道:“团队正在尝试利用类似的方法运送其它抗肿瘤药物,并同时验证这种药物设计策略的其他应用。”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):Adipocytes as Anticancer Drug Delivery DepotDi Wen, Jinqiang Wang, George Van Den Driessche, Qian Chen, Yuqi Zhang, Guojun Chen, Hongjun Li, Jennifer Soto, Ming Liu, Masao Ohashi, Zejun Wang, Peter Abdou, Quanyin Hu, Gianpietro Dotti, Song Li, Denis Fourches, Zhen GuMatter, 2019, DOI: 10.1016/j.matt.2019.08.007导师介绍顾臻https://www.x-mol.com/university/faculty/26755 (本稿件来自Matter)

来源: X-MOL 2019-10-03

大数据证明,果蔬中的类黄酮让人更长寿

人吃五谷杂粮,日常饮食深刻影响着人体健康。无论东方还是西方,都有不少谚语俗语,将蔬菜水果与健康联系起来,例如“冬吃萝卜夏吃姜,不劳医生开药方”,还有著名的“An Apple a Day Keeps the Doctor Away”。统计数据已经表明,水果和蔬菜的摄入与较低的心血管疾病、癌症和全因死亡率相关,据估计,2013年全世界780万人的过早死亡很可能要归因于水果和蔬菜摄入量低于800克/天 [1]。大家都知道,果蔬中确实含有很多对人体有益的成分,比如膳食纤维、维生素、微量元素等,而今天我们文章的主角——类黄酮(flavonoids),也叫黄酮类物质——可能不太为人所熟知。它们是一大类植物天然产物的总称,都是以2-苯基色原酮为母核的多酚类物质。常见类黄酮物质母核结构。图片来源:Blackwell Publishing [2]最近,澳大利亚埃迪斯科文大学(Edith Cowan University)Nicola P. Bondonno博士等研究人员分析了56000多名丹麦人近23年的健康资料,以研究饮食中的类黄酮对这些人健康状况的影响。结果发现,习惯性地在饮食中摄入适量的类黄酮与心血管疾病、癌症和全因死亡率下降相关。具体来说,对于全因死亡率和心血管疾病相关死亡率,总类黄酮摄入量在约500毫克/天即可达到最好的效果,继续增加摄入量也不会带来更多帮助;对于癌症相关死亡率,这个“阈值”要更高一些,约在1000毫克/天。相关论文发表于Nature Communications。总类黄酮摄入量大于500毫克/天与心血管疾病、癌症和全因死亡率显著降低相关。图片来源:Nat. Commun.这份丹麦人的健康记录非常详细,研究人员还特意研究了类黄酮摄入对烟酒爱好者的影响,结果还挺意外。他们发现与不吸烟者相比,吸烟者摄入类黄酮与死亡率降低的相关性更强,也更加线性。更意外的是,在总类黄酮摄入量低于500 毫克/天时,吸烟者与非吸烟者的获益情况基本一致,但一旦超过这个摄入量,非吸烟者摄入更多类黄酮没有明显获益,而吸烟者的风险曲线是一直向下的,直到2000毫克/天仍有相关性。类似的,大量饮酒者(酒精摄入量大于20克/天)与不饮酒或少量饮酒者(酒精摄入量小于20克/天)相比,也有类似现象。小氘猜测的原因是,类黄酮会清除人体内的一些有害物质,对于不抽烟不喝酒的人来说,这些有害物质较少,摄入500毫克/天的类黄酮基本上能把有害物质清除完,再多吃也无益。但对于抽烟喝酒的人来说,体内的有害物质较多,需要更多类黄酮来清除。不过对于肥胖患者来说,类黄酮就没这么友好了。研究人员发现身体质量指数(BMI)大于30的人摄入过多类黄酮,风险因素会越来越高。类黄酮的绝大部分来源是食物,这个现象或许可以理解为,胖子吃得越多越危险,即使吃很多果蔬也不行,倒也合理。胖子们简直太难了,还是控制体重好。总类黄酮摄入量对吸烟者、饮酒者、肥胖者的影响。图片来源:Nat. Commun.这篇文章并没有揭示类黄酮降低人类心血管疾病或癌症相关死亡风险的机理。不过在以往的研究中,类黄酮具有广泛的生物活性。以心血管疾病为例,吸烟喝酒等不良的生活习惯会增加人体的炎症,损害血管,进而增加一系列心血管疾病的发病率和风险。研究者下一步计划的重点是揭示哪些类型的心血管疾病或癌症受到类黄酮的保护最明显。读到这里,你肯定最想知道怎样才能摄入500毫克/天的类黄酮呢?根据美国农业部(USDA)发布的数据,每天一杯茶、一个苹果、一个橙子、100克蓝莓或西兰花都能提供足量的类黄酮,巧克力和红酒也是不错的选择[3]。一般情况下如果蔬果摄入保证在每天800克以上,就不需要额外补充。当然,如果你抽烟喝酒,可能需要在此基础上再多吃一些。蔬菜和水果。图片来源于网络不过,这并不代表类黄酮可以作为吸烟、酗酒的挡箭牌。Bondonno博士也提醒到,“要注意,类黄酮的摄入并不能抵消吸烟和大量饮酒引起的所有健康风险。为健康着想,能做的最好的事情就是戒烟并减少饮酒。”[4]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 ):Flavonoid intake is associated with lower mortality in the Danish Diet Cancer and Health CohortNicola P. Bondonno, Frederik Dalgaard, Cecilie Kyrø, Kevin Murray, Catherine P. Bondonno, Joshua R. Lewis, Kevin D. Croft, Gunnar Gislason, Augustin Scalbert, Aedin Cassidy, Anne Tjønneland, Kim Overvad, Jonathan M. HodgsonNat. Commun., 2019, 10, 3651, DOI: 10.1038/s41467-019-11622-x参考资料:1. Fruit and vegetable intake and the risk of cardiovascular disease, total cancer and all-cause mortality—a systematic review and dose–response meta-analysis of prospective studies. Int J. Epidemiol., 2017, 46, 1029–1056https://academic.oup.com/ije/article/46/3/1029/30394772. Plant Secondary Metabolites. Occurrence, Structure and Role in the Human Diet (eds Crozier, A., Clifford, M. N. & Ashihara, H.) 303–351 (Blackwell Publishing, Oxford, 2006).3. USDA Database for the Flavonoid Content of Selected Foods, Release 3.3 (March 2018)https://www.ars.usda.gov/northeast-area/beltsville-md-bhnrc/beltsville-human-nutrition-research-center/methods-and-application-of-food-composition-laboratory/mafcl-site-pages/flavonoids/4. Apples, tea and moderation – the 3 ingredients for a long lifehttps://www.ecu.edu.au/news/latest-news/2019/08/apples-tea-and-moderation-the-3-ingredients-for-a-long-life(本文由氘氘斋供稿)

来源: X-MOL 2019-09-29

Chem∣给抗癌药装上光开关:红光可控激活的高效四价铂前药

目前,化疗仍然是临床上用于治疗癌症的主流手段。传统化疗药物普遍缺乏靶向性,对患者的正常细胞和组织进行无差别杀伤,带来严重的毒副作用,在临床上表现为极大的降低了患者的生活质量。因此,开发能够特异性靶向癌细胞的化疗药物是目前癌症研究领域的一个热点方向。药物的靶向通常分为主动靶向和被动靶向。主动靶向的药物自身携带有靶向癌细胞的基团,因此可以主动地识别癌细胞,然后再发动攻击。而被动靶向的药物则会随体液循环分布至全身各处,然后只有在周围刺激的作用下,才会特定地在癌细胞周围激活从而发挥作用。目前,这些可用的外界刺激包括pH、特定的小分子、光等。其中,光响应由于其在时空上的可控性、瞬时响应性以及其非物质性等优良特征,已经成为一种十分通用的手段。然而,在光的各个波段内,紫外及可见光由于其波长较短能量较高,会对细胞和组织造成较大的伤害,并且其穿透力较差,很难深入病灶,因而极大地限制了其在活体内的应用。而波长较长的光如红光和近红外光则克服了上述缺点。使用红光作为激发手段是实现被动靶向的一个重要的并且十分有效的方法。基于上述思想,日前,香港城市大学化学系的朱光宇教授及其学生王志刚博士(现为深圳大学药学院助理教授)报道了第一个可以被红光激活的小分子四价铂前药,实现了四价铂前药在癌细胞内部的定点定时激活,从而极大地提高了该类药物的靶向性,并且实现了对癌细胞的选择性高效杀伤,在提高了药物药效的同时降低了系统毒性。该研究结果已发表在Cell杂志的姊妹刊Chem 上。图1. 四价铂前药的体内作用示意图。图片来源:Chem目前临床上广泛使用的铂类抗肿瘤药物包括顺铂、卡铂和奥沙利铂,都是基于二价铂的抗肿瘤药物。而铂元素中心除了有二价铂的正方形的四配位模式之外,还有四价铂正八面体的六配位模式。这种四价铂配位模式的优势在于其配体交换惰性,一般要先还原成活性的二价铂活性再发挥杀死肿瘤细胞药效,此外还可以在轴向上额外引入具有特殊功能的基团,例如靶向基团、光响应基团等。朱光宇教授和王志刚博士正是利用了四价铂的这一特性,在铂配位的轴向位置上引入了可以对红光响应的基团,成功地制备了低毒性的基于奥沙利铂的四价铂前药phorbiplatin,实现了药物活性的大幅度提高。他们首先将对红光响应的卟啉类氧化还原催化剂(pyropheophorbide a, PPA)引入到惰性的基于奥沙利铂的四价铂前药中得到phorbiplatin。该前药在还原剂维生素C存在下的生理溶液中依然稳定,具有相当高的化学惰性。在低强度的红光(650 nm, 7 mW/cm2)照射下,前药迅速还原成活性药奥沙利铂,同时释放PPA。进一步通过荧光光谱和瞬态紫外光谱等手段及DFT计算研究前药的光活化机制。结果表明,经光激发后前药分子(1)内的PPA被激发到单线激发态(2);单线激发态的PPA通过系间穿越到三重激发态(3);然后,三重激发态的PPA从维生素C得到电子,生成还原态的PPA(4);还原态的PPA进一步转移电子给四价铂生成过渡态化合物;最终还原生成奥沙利铂和PPA(图2)。PPA基团像光致还原的中继器一样促进四价铂前药活化。图2. 光诱导的四价铂前药还原的机理图。图片来源:Chem进一步的细胞实验表明,在黑暗条件下前药对细胞毒性极低。而在光照下,与奥沙利铂相比,前药在乳腺癌细胞中表现出1786倍增强的细胞杀伤活性。机理研究表明这种极强的细胞杀伤活性来源于细胞对前药摄取的增强、经光照后前药生成的活性奥沙利铂、以及生成的单线态氧和羟基自由基等活性氧物种。由于红光比紫外光及蓝光具有更深的皮肤穿透特性,研究人员进一步将前药注射到小鼠肿瘤模型中,给药后对小鼠肿瘤进行红光照射。结果表明,与奥沙利铂及奥沙利铂与PPA的混合物相比,前药具有更强的体内抗肿瘤活性,并且比奥沙利铂和PPA的混合物具有更低的毒性。图3. 前药的体内抗肿瘤活性。图片来源:Chem总之,该项研究为设计光可控活化的四价铂前药提供了一种全新的策略和思路。基于此策略可以设计并开发出效率更高毒性更低的四价铂前药以用于癌症的治疗。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):Phorbiplatin, a highly potent Pt(IV) antitumor prodrug that can be controllably activated by red lightZhigang Wang,* Na Wang, Shun-Cheung Cheng, Kai Xu, Zhiqin Deng, Shu Chen, Zoufeng Xu, Kai Xie, Man-Kit Tse, Peng Shi, Hajime Hirao, Chi-Chiu Ko, Guangyu Zhu* Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.08.021导师介绍朱光宇https://www.x-mol.com/university/faculty/26823注:朱光宇课题组招聘生物无机化学、药物化学、化学生物学、有机化学相关背景的博士后,有意者请联系

来源: X-MOL 2019-09-24

AD蛋白质的“化学易容术”

各位读者想必对阿尔茨海默症(Alzheimer disease,AD)不陌生,这是一种困扰着全球千万患者的严重疾病。阿尔兹海默症是一种神经退行性疾病,临床上以记忆障碍、失语、人格和行为改变等表现为特征,民间也俗称它为“老年痴呆症”,但小氘并不推荐使用这种略带侮辱性的名称。阿尔兹海默症不会马上要人命,但严重患者基本丧失生活自理能力,最令人难以接受的是对亲人的遗忘,这对老年人的生活质量和预期寿命有着极大威胁。随着全球老龄化的加剧,阿尔茨海默症的患病率也持续上升。据统计,2015年时全球已有4680万患者,每3秒就会增加一名患者。我国确诊的阿尔茨海默症为600多万,再过几年可能要超过千万。[1]图片来源于网络那么,阿尔茨海默症的病因到底是什么呢?目前比较公认的解释是人类大脑中积累了太多β-淀粉样蛋白(Aβ),形成沉淀核心,产生神经毒性,诱导神经系统炎症和细胞坏死。另一种假说是微管相关蛋白tau蛋白结构异化导致其在神经细胞内积累,阻碍神经系统的正常功能。据此,大批药企和研究机构纷纷以β-淀粉样蛋白或tau蛋白为靶点研发治疗阿尔茨海默症的新药,其中不乏辉瑞、强生、礼来这样的国际巨头,可惜纷纷折戟沉沙,未能从三期临床试验脱颖而出。坊间有句玩笑说,“没做黄过阿尔茨海默症新药,都不好意思称自己是大药企”。对于这些失败,小氘认为要背锅的并不是这些大药企的研发能力,更有可能的原因是我们对疾病的理解还远远不够。最近,加州大学河滨分校的Ryan R. Julian课题组报道了他们对阿尔茨海默症病因的新理解。他们发现β-淀粉样蛋白在特定位点会发生自发性化学修饰,使自身难以被溶酶体中的蛋白酶降解。这使得β-淀粉样蛋白得以积累,从而诱发阿尔兹海默症。图片来源:ACS Cent. Sci.人体每时每刻都有无数的蛋白诞生以行使功能,同时也有无数的蛋白被降解,如此循环往复维持动态平衡。溶酶体位于细胞中,含有多种蛋白酶。我们知道,酶的特异性很强,某些蛋白机缘巧合下发生了一些非受控的结构修饰,可能就难以被原来的酶特异性识别并降解。尤其是那些寿命很长的蛋白质,发生这种非受控修饰的机会更高。这就好比武侠小说中的“易容术”,长寿命蛋白质都深谙此道,以躲避溶酶体蛋白酶的“追杀”。蛋白质修饰有很多种形式,比如官能团的氧化、还原、偶联其他官能团等。其中,可自发进行的异构化(isomerization)和差向异构化(epimerization)是长寿命蛋白质中比较常见的形式。蛋白质的异构化主要与天冬氨酸(Asp)有关,天冬氨酸侧链上还有一个羧基,在某些情况下也能与其他氨基酸的氨基形成酰胺键连接,从而插入蛋白质的主肽链中。而差向异构化只是氨基酸侧链的手性发生变化,例如从L构象变成D构象。L型氨基酸和D型氨基酸互为镜像对称,长得一模一样,只是手性变了。目前已知地球上生命体中的氨基酸都是L型氨基酸,这样意味着一旦与阿尔茨海默症密切相关的Aβ和tau蛋白的一些天冬氨酸变成D型,原本可以降解它的蛋白酶就会失效。L-天冬氨酸自发性构象变化过程。图片来源:ACS Cent. Sci.天冬氨酸结构模型。图片来源:ACS Cent. Sci.Ryan Julian等人研究发现,Aβ和tau蛋白都会“易容”,通过异构化和差向异构化阻止溶酶体中的蛋白酶对它们的降解。Aβ1-9肽的1位和7位天冬氨酸发生修饰后被降解比例的变化。图片来源:ACS Cent. Sci.研究人员在小鼠神经细胞中观察到了这种长寿蛋白的产生。荧光染料会指示被降解的Aβ。从荧光实验可以看出,发生化学修饰后的Aβ几乎不会被降解。从分子层面,D型天冬氨酸也不再适应蛋白酶的活性中心口袋。这意味着蛋白酶已经无法认出“易容”后的Aβ,降解也就无从谈起。在小鼠神经细胞中发生的Aβ结构变化。图片来源:ACS Cent. Sci.那些原本会被降解的Aβ和tau蛋白由于发生了这种细微的变化无法被降解,只能留在溶酶体中,医学上称这种现象为溶酶体贮存,常见于阿尔茨海默症患者脑中。不过这种变化毕竟是概率较低的自发性反应,需要很长时间才可能有足够多的修饰Aβ和tau蛋白贮存于溶酶体中。研究人员也在实验中证明了这一点,时间越久,这种结构变化发生率越高。这也与阿尔茨海默症发病率与年龄密切相关的事实吻合。这项研究无疑为阿尔茨海默症的病理研究和药物研发提供了新思路。如果能够开发一种药物帮助溶酶体消除这些“长寿”的Aβ和tau蛋白,或许人们就不再对阿尔茨海默症的治疗感到那么糊涂了。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):Spontaneous Isomerization of Long-Lived Proteins Provides a Molecular Mechanism for the Lysosomal Failure Observed in Alzheimer's DiseaseTyler R. Lambeth, Dylan L. Riggs, Lance E. Talbert, Jin Tang, Emily Coburn, Amrik S. Kang, Jessica Noll, Catherine Augello, Byron D. Ford, Ryan R. JulianACS Cent. Sci., 2019, 5, 1387-1395, DOI: 10.1021/acscentsci.9b00369参考资料:1、《世界阿尔茨海默病报告2016——改善痴呆患者的医疗保健:目前以及未来的覆盖率、质量和成本》,国际阿尔茨海默病协会(ADI)(本文由氘氘斋供稿)

来源: X-MOL 2019-09-18

海洋微生物来源粉蝶霉素类天然产物及其抗肾癌研究取得重要进展

肾癌是泌尿系统中恶性度较高的肿瘤,对化疗、放疗均不敏感。目前靶向药物治疗是进展期肾癌的标准治疗,但现有抗肾癌药物靶标比较单一,易产生耐药性,加剧了对新型肾癌药物的迫切需求。海洋微生物在独特的海洋生态系统下可产生新颖的活性分子,是创新药物研发的重要来源。近期,中科院南海海洋研究所刘永宏、周雪峰研究团队和南方医科大学药学院唐斓团队合作,在海洋微生物来源粉蝶霉素类抗肾癌先导化合物的发现及其作用机制研究中取得重要进展。粉蝶霉素类是陆地和海洋放线菌来源的α-pyridone类抗生素,已报道有40余个。该团队利用化学排重策略,在海洋放线菌资源库中筛选到两株富产粉蝶霉素类的链霉菌,从中分离获得粉蝶霉素类天然产物33个,包括22个新化合物,大大扩充了粉蝶霉素的化学结构类型。特别是发现了3个支链成5元环的粉蝶霉素新骨架化合物iakyricidins B‒D,推测其特殊的分子内C-C环合机制。以上成果于7月26日在线发表在有机化学权威期刊The Journal of Organic Chemistry 上[1],南海海洋研究所博士生李坤龙为第一作者,周雪峰研究员、刘永宏研究员和唐斓教授为共同通讯作者。 粉蝶霉素新骨架化合物iakyricidins B‒D通过体外活性筛选,该团队发现粉蝶霉素类天然产物对肾癌细胞ACHN具有选择性抑制活性,经构效关系分析,选择粉蝶霉素PA及其糖苷GPA进行抗肾癌新机制的深入研究。通过对粉蝶霉素作用ACHN的转录组测序和差异基因分析,并引入临床肾肿瘤组织样本差异基因进行生物信息学分析,确证肾癌中低表达的过氧化物酶peroxiredoxin 1 (PRDX1) 为粉蝶霉素重要的作用靶点。经shRNA基因敲低和测定小分子/靶标亲和力的SPR技术,验证了粉蝶霉素可通过结合PRDX1调节胞内ROS,诱导ACHN细胞凋亡。进一步机制研究显示,PA和GPA可诱导PRDX1入核,在细胞核中发挥分子伴侣功能。团队建立了ACHN人肾癌移植瘤裸鼠模型,实验发现PA和GPA可显著抑制模型小鼠肾肿瘤的生长,并显著提高肿瘤组织中PRDX1的表达。以上成果于8月份正式发表在药物化学权威期刊Journal of Medicinal Chemistry 上 [2],周雪峰研究员为第一作者和共同通讯作者,唐斓教授和博士生梁至分别为共同通讯作者和共同第一作者。刘永宏研究员,湖北农科院方伟博士、南方医科大学刘叔文教授、田元新副教授和加州大学圣地亚哥分校W. Fenical教授等对本文都作了重要贡献。粉蝶霉素抗肾癌机制示意图该研究深入挖掘了海洋微生物来源粉蝶霉素类天然产物的化学多样性和药用资源,不仅为抗肾癌新药研发提供药物先导化合物,而且首次证实了PRDX1可作为抗肾癌药物的新靶点,为新型抗肾癌药物研发提供了新的思路。1. 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):Iakyricidins A–D, Antiproliferative Piericidin Analogues Bearing a Carbonyl Group or Cyclic Skeleton from Streptomyces iakyrus SCSIO NS104Kunlong Li, Zhi Liang, Weihao Chen, Xiaowei Luo, Wei Fang, Shengrong Liao, Xiuping Lin, Bin Yang, Junfeng Wang, Lan Tang, Yonghong Liu, Xuefeng ZhouJ. Org. Chem., 2019, DOI: 10.1021/acs.joc.9b012702. 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):Exploring the natural piericidins as anti-renal cell carcinoma agents targeting peroxiredoxin 1Xuefeng Zhou, Zhi Liang, Kunlong Li, Wei Fang, Yuanxin Tian, Xiaowei Luo, Yulian Chen, Zhikun Zhan, Tao Zhang, Shengrong Liao, Shuwen Liu, Yonghong Liu, William Fenical, Lan TangJ. Med. Chem., 2019, 62, 7058-7069, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b00598导师介绍刘永宏https://www.x-mol.com/groups/liu_yonghong

来源: X-MOL 2019-08-27

Science子刊封面:痒了就只能挠?这也许是病,能治

痒,看到这个字真就让人头皮发麻。蚊子叮个包,或者皮肤过敏,甭管哪个地方,只要痒起来,那感觉让你挠到欲罢不能,挠到怀疑人生,甚至挠到破皮流血还是止不住想挠。图片来自网络皮肤瘙痒的感觉是由皮肤上的外围初级感觉神经元的传入纤维传递到位于背根神经节和三叉神经节的细胞机构,随后传输到脊髓背角,最终进入大脑。生活中的蚊虫叮咬造成的瘙痒属于急性瘙痒,一般人们认为这是一种保护机制,对消除刺激物有重要的作用。瘙痒持续时间超过六周时被称为慢性瘙痒。在临床上,慢性瘙痒从身体上和心理上折磨着广大患者,并形成瘙痒-搔抓-瘙痒的恶性循环。虽然瘙痒在生理状态下具有保护作用,但是慢性瘙痒难以治疗,通常伴随有失眠、抑郁等并发症,这极大地降低了患者的生活质量,因此探索瘙痒的发病机制并研发减轻瘙痒症状的药物迫在眉睫。美国NIH旗下的国立口腔与颅面研究所Mark A. Hoon博士等人曾经发现利钠肽b(natriuretic polypeptide b,Nppb)是一种与瘙痒有关的蛋白质,在小鼠脊髓神经元上存在一种受体(Npr1)能与Nppb特异性结合,使小鼠产生瘙痒的感觉。因此,Npr1是止痒药物的一个潜在靶点。最近,他们基于细胞模型的高通量药物筛选技术筛选了86,000多种化合物,最终得到了15种能够有效抑制Npr1活性的化合物,并将其中一种可能适合作为药物的化合物用于小鼠实验,证明其可以有效减少小鼠的抓挠次数,这为解决瘙痒的有关疾病提供了一种可能。相关工作发表在Science Translational Medicine 上,并被选为封面文章。当期封面。图片来源:Sci. Transl. Med.为了确认人背根神经节细胞(dorsal root ganglia,DRG)是否合成Nppb,作者基于定量聚合酶链反应(quantitative polymerase chain reaction,qPCR)和双标记原位杂交(double-label in situ hybridization)进行了证明。结果表明,在人和鼠DRG中Nppb的数量和分布都很相似。另外,如果Nppb在人身上的作用机理与小鼠一样时Npr1应该在脊髓中存在,双标记原位杂交实验结果证实了这一猜测。这些结果都证明了人体同样可以合成Nppb,并且作用机理与小鼠一致。定量聚合酶链反应和双标记原位杂交实验证明人和鼠DRG中Nppb的数量、分布和作用机理都是相似的。图片来源:Sci. Transl. Med.作者接着基于高通量定量筛选技术寻找能够抑制Npr1活性的化合物。他们筛选了86,000多种化合物,根据这些化合物的效价和结构等性质进行了优先排序,发现了大约1400个值得仔细研究的分子。然后,他们又利用重叠策略(overlapping strategy)排除了假阳性分子,将化合物数量降低到15个,并且发现这些分子的主体结构类似,这提示它们可能具有相同或相似的结合位点。为了进一步研究可以抑制hNPR1的分子,作者从这15个分子中选择了12个能够大量制备和纯度较高的分子进行研究。基于高通量定量筛选技术寻找能够抑制hNPR1活性的小分子。图片来源:Sci. Transl. Med.能够有效抑制hNPR1活性的三种化合物JS-5、JS-8和JS-11。图片来源:Sci. Transl. Med.作者通过直接检测活体中刺激hNPR1产生的产物进行表征,发现它们都具有良好的抑制效果。其中JS-11有较高的水溶性、良好的膜渗透性,并且体内半衰期也适合作为候选药物。作者将其用于小鼠实验证明该化合物可以有效减少小鼠的抓挠行为。JS-11在小鼠体内对NPR1活性抑制的研究。图片来源:Sci. Transl. Med.总的来说,在本工作中作者研究了通过抑制NPR1活性对瘙痒疾病治疗的可能性,并筛选出了多种化合物用于相关药物开发。他们希望对这些活性化合物进行化学修饰以作为治疗瘙痒疾病的潜在药物。但就像其中一名作者所说,这目前只是从理论上进行了证明,说明了通过药物阻断目标受体治疗瘙痒疾病的可行性。对于该方法背后的理论基础还需要深入研究,开发一种理想的药物可能还需要很长时间。有同学要问了,药物开发这么长的时间等不起怎么办?痒啊!笔者想说,亲,请您了解一下这个产品,无辐射,无激素,局部适用,哪里痒了治哪里……万一家里小朋友太调皮,皮痒了,也能辅助治疗……图片来自网络原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Inhibition of natriuretic peptide receptor 1 reduces itch in miceHans Jürgen Solinski, Patricia Dranchak, Erin Oliphant, Xinglong Gu, Thomas W. Earnest, John Braisted, James Inglese, Mark A. HoonSci. Transl. Med., 2019, DOI: 10.1126/scitranslmed.aav5464(本文由Sunshine供稿)

来源: X-MOL 2019-08-23

新型微流控单细胞芯片:细胞突起的高通量分离及其亚细胞基因表达研究

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析癌细胞从原发肿瘤转移扩散到远处器官形成转移癌,导致了90%以上癌症病人的死亡。作为三种主要的癌细胞运动形式之一,间质型癌细胞通过伸出细胞突起来(cell protrusions)引导其迁移和侵袭。因此,深入分析和了解细胞突起中亚细胞基因表达将有助于进一步探索癌症转移的潜在分子机制,并可能探索出通过控制细胞迁移来预防肿瘤进展的独特疗法。然而,传统方法存在低通量、低分离精度、低纯度等问题,难以实现细胞突起中基因表达的精确分析。因此,发展高通量、高精度、高纯度分离细胞突起的分析方法将对癌症转移的研究起到极大的推动作用。近日,美国康奈尔大学医学院附属休斯顿卫理公会研究所(Houston Methodist Research Institute)秦立东(点击查看介绍)团队开发了一个新型微流控平台(Protrusion-Generating Chip,PG芯片)。利用该芯片,成功制备了大面积高度均匀的细胞突起阵列。结合激光捕获显微切割(LCM)技术,可以单细胞精度高通量分离细胞突起,并成功获得了癌细胞突起的基因表达图谱。相关成果发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上,并被当期选为Frontispiece文章,文章的第一作者为康奈尔大学医学院附属休斯顿卫理公会研究所博士后张鹏超博士。利用这一新型微流控单细胞芯片,通过形成大面积单细胞阵列(大于5000个单细胞)和原位培养,即可获得高度均匀的细胞突起阵列。除了间质性乳腺癌细胞,作者还实现了精确地排列多种细胞类型的突起(如黑色素瘤细胞、成纤维细胞、内皮细胞和神经元细胞)。这种均匀性水平不能用任何其他现有的方法来实现。随后,利用LCM技术,作者首次实现了从这些细胞突起阵列中以单细胞精度成功地分离了高纯度的细胞突起。重要的是,细胞突起的数量可以根据需要随意控制,范围从一个到数千个均可快速实现。最后,作者从这些分离的细胞突起中成功地提取了信使核糖核酸(mRNA),并使用高通量测序技术获得了细胞突起的基因表达图谱。这一高度可控的细胞突起分离方法为癌细胞的迁移机制和相关信号通路的研究开辟了新途径。此外,新型微流控单细胞芯片将在伤口愈合、神经信号传导等多种细胞突起相关的生理过程中的信号通路的理解和研究方面具有良好潜力。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):High-Throughput Isolation of Cell Protrusions with Single-Cell Precision for Profiling Subcellular Gene ExpressionPengchao Zhang, Xin Han, Jun Yao, Ning Shao, Kai Zhang, Yufu Zhou, Youli Zu,Bin Wang, Lidong Qin Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201903694秦立东博士简介秦立东,1999年毕业于吉林大学化学系,2007年获美国西北大学博士学位。2007年至2010年,在加州理工学院任博士后,从事转化医学相关研究。2010年开始,作为助理教授受聘于美国休斯敦卫理公会研究所,2013年晋升为副教授,2016年晋升为教授。秦立东博士致力于癌症转化医学研究,利用微流体技术,开发非常规技术平台,对癌细胞进行单细胞水平精确分析,以实现癌症早期诊断和转移机理研究。已经在Science, Nat. Nanotechnol. Nat. Commun. Sci. Adv., PNAS, Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc.等国际知名期刊上发表论文50余篇。研究成果曾被Science, Science News, ScienceDaily, The Scientist, Economic Times, Science & Technology Research News等专题报道。https://www.x-mol.com/university/faculty/69084 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,我们的研究兴趣是开发新型微流控器件并将其用于单细胞水平癌症转移相关研究。众所周知,癌细胞在迁移过程中会伸出细胞突起并在其引导下迁移,我们一直想仔细研究细胞突起中的基因表达水平。但是目前基于成像和细胞突起分离/测序的策略还存在很多问题,比如通量较低、分离的细胞突起纯度不高等,所以很难精确分析癌细胞突起中的基因表达水平。在前期的研究中,我们开发了一个微流控平台可以实现高效率单细胞阵列的构筑,原位培养后发现这些单细胞会像在体内迁移那样伸出细胞突起(PNAS, 2014, 111, 2948)。基于此,我们认为通过进一步优化有望实现单细胞精度细胞突起的高通量分离,所以才有了上述研究。Q:研究过程中遇到哪些挑战?A:本项研究中最大的挑战是如何获得大面积均匀分布的细胞突起并高通量地分离它们。在这个过程中,我们团队在微流控平台和生物表界面优化设计方面的经验积累起了至关重要的作用。此外,这项研究属于交叉学科的研究,其中需要基因测序和分析方面的背景知识,而我们的团队主要来源于材料和生物医学工程专业,因此在分子生物学方面存在知识储备不足的挑战,未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?A:该平台可以实现大面积细胞突起的制备和分离,是研究细胞迁移分子机理的关键所在。对于深入分析癌症转移、伤口愈合等方面有着重要的应用前景。另外,该平台还可以用于药物筛选,将对相关领域的发展产生推动作用。

来源: X-MOL 2019-08-23

我们距离自动化从头药物设计还有多远?

提到新药研发,大家不免都有这种印象:投资高、时间长、风险大。虽然药物设计和筛选技术一直在进步,但疾病是复杂的,即使研发的药物过五关斩六将成功上市,但还要面临不良反应、市场销售、国家政策等诸多未知因素的考验。其实要解决这些问题也不是没有办法,那就是多设计几个足够优秀的候选药物。药物化学领域的读者估计这会儿心里一定在不屑地说,“你说的容易”!的确,发现一个能上临床试验的药物,就已经要感谢运气爆棚了(点击阅读:药物化学家一生发现新药的几率有多大?),遑论好几个好用又好卖的“重磅新药”?不过,随着X-射线衍射、NMR、电子显微镜等技术的快速发展,靶蛋白的结构参数逐渐明晰。另一方面,计算性能的大幅提升和硬件价格的降低,使得计算机辅助药物设计工具成为科学家不可或缺的帮手。现在各种计算机算法已经可以进行虚拟筛选或直接给出新分子结构,并帮助科学家优化苗头化合物的成药性及理化性质。那么现在计算机能不能如AlphaGo那种人工智能那样,给它一个化学结构自动从头设计药物分子呢?现在药物研发圈里的人工智能、机器学习等热门话题又进展如何?基于结构的药物虚拟筛选。图片来源于网络在药物设计领域,计算机程序在上世纪已经辅助研究人员开发了一些药物。最常见的方法是以某个已知结构的蛋白为靶点利用分子对接等虚拟筛选技术在海量化学结构中找到那个苗头化合物(hit compound)。除此之外,还有一些基于小分子化学结构的药物设计程序,比如从头药物设计(de novo design)程序。近期,苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的Gisbert Schneider博士(点击查看介绍)等人总结近几年自动从头药物设计的文献并详细列举了10个药物靶标案例以便读者能够纵览全局或者了解前沿方向。相关论文发表在Angew. Chem. Int. Ed. 杂志上。Gisbert Schneider博士。图片来源:ETH Zürich1. β分泌酶抑制剂BACE-1是神经退行性疾病的靶标之一,但成药性颇具挑战。Fishwick等报道了基于蛋白结构的从头药物设计程序SPROUT,设计了非多肽结构的ß分泌酶BACE-1抑制剂(J. Med. Chem., 2013, 56, 1843)。通过BACE-1和类多肽配体的复合物X-射线结构,SPROUT解析了关键活性位点,并设计了最初的化合物1。合成化合物1后并测试它的生物活性,发现它的活性较弱(IC50 = 323 μM)。结构优化后得到化合物2,它的活性中等(IC50 = 27 μM)。这个案例证实了基于自动结构设计得到可合成化合物作用于靶标的可行性。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.2. Aurora A激酶A抑制剂VX-680是 pan-Aurora激酶抑制剂,具有很高的抗Aurora活性(Ki = 0.6 nM),在临床试验中,因QT间期延长的心脏问题而被终止。Rodrigues等通过基于配体的从头药物设计程序DOGS(Design Of Genuine Structures),希望设计一个全新的化学骨架(Chem. Sci., 2013, 4, 1229),具有和VX-680相似的活性,但避免诱发心脏问题,同时突破围绕这一结构的知识产权限制。DOGS程序基于88个骨架,产生了172个化学结构。因芳香磺酰胺结构片段在打分系统中得高分的情况较多,而且化学合成可行性较高,相应的化合物3和4被筛选出来进行合成。DOGS另一个优势是它可以设计合成路线,设计算法来源于化学转化规则。体外实验发现,100 μM的3仅能抑制5%的Aurora A。4的活性为IC50 = 10 μM,适合从苗头化合物到先导化合物的优化。3和4活性的巨大差异很可能来自咪唑结构片段。在此指导下,他们通过优化得到了化合物5(IC50 = 2.7 μM)。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.从这个案例中可以看到以下三点:(1)化合物5的结构已经于初始的VX-680截然不同,是全新的结构。(2)该程序仅需要一个抑制剂的结构就可以启动程序,甚至蛋白质结构都不需要,因此这套方法具有广泛的应用范围。(3)设计的化合物能够大多可以被合成出来并用于测试活性。从Aurora A和抑制剂的复合物晶体结构开始,Park等用片段数据库中用基于结构的虚拟筛选找到了一个关键片段结构MPPA,他们的秘诀是自动对接,并且修改了打分功能(J. Chem. Inf. Model., 2018, 58, 700)。以铰链-结合部位为起始点,团队用LigBuilder聚焦于Aurora A的片段结构数据库利用从头药物设计手段设计新化合物,遵循药物设计中的类药5规则,最终挑选了35个化合物,合成了17个,活性最好的化合物为6(IC50 = 0.012 nM)。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.3. COX-2和LTA4H双重抑制剂多重药理学近年来也得到关注,即一个化合物通过作用于1个以上的靶标达到治疗效果。Shang等使用从头药物设计程序LigBuilder设计作用于环氧化酶-2(COX-2)/5-脂质氧化酶(5-LOX)/白三烯A4水解酶(LTA4H)的化合物,以达到更好的抗炎症效果(J. Chem. Inf. Model., 2014, 54, 1235)。作者从这三个靶标已知抑制剂中提取片段结构,得到了21个化合物,然后在高浓度下(1 mM)进行活性测试得到9个苗头化合物。LigBuilder 程序对这些结构片段进行多种结合模式的计算,设计了110万个化合物,从中筛选出前1000个继续研究,最终合成了6个化合物,其中化合物7的活性最好,100 μM浓度下对COX-1和COX-2的抑制率为90%,LTA4H的抑制率为43%,从而进入第二轮从头药物设计,得到化合物8,第三轮得到化合物9。相比于COX1,化合物9对COX2有很好的选择性(约11倍)。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.4. 幽门螺杆菌HtrA抑制剂幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)可导致胃/十二指肠溃疡甚至胃癌。丝氨酸蛋白酶致病因子HtrA(high temperature reguirement A)是幽门螺杆菌和其他致病菌的靶标,现在可用的化合物是罗丹宁衍生物10,但它存在活性弱、溶解度差、以及罗丹宁骨架自身的问题。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.Perna等人采用DOGS软件以10为起点(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 10244),设计了1707个化合物,通过溶解度结合三维结构进行筛选,选取了其中的65个化合物进行合成,化合物11最符合以下4项要求:溶解度和切合度排名靠前;没有Michael加成受体结构;与化合物10的结构区别很大;全新的化学结构类型。经两步反应可合成11,它的亲和力和化合物10类似(KD = 37μM),但配体效率LE(ligand efficiency)更好。构型关系研究中,它的类似物12的活性最好(KD = 37 μM,LE = 0.3),并且都有体外抗幽门螺杆菌活性。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.5. DAPK3抑制剂片段类似物 死亡关联蛋白激酶3(DAPK3)是丝氨酸/苏氨酸激酶,可作为治疗高血压和平滑肌疾病的靶标。以法舒地尔Fasudil(IC50 = 1.2 μM)为起点,Schneider等人使用DOGS进行基于配体的从头药物设计(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 15079),构建了521个化合物,其中357个符合类似片段的标准。进一步基于机器学习算法的ChEMBL预测,选取了化合物13,其对DAPK3的抑制浓度为52 μM,但它的配体效率较高(LE = 0.4),在27种激酶中的选择性很好,与法舒地尔的结构相差也很大,但它是已知化合物阿佐塞米Azosemide(IC50 = 2.1 μM)的亚结构,这也从侧面说明从头药物设计策略得到的化合物具有再优化的潜力。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.6. 选择性MMP-2抑制剂基质金属蛋白酶2(MMP-2)和MMP-9类似,要开发选择性的抑制剂并不简单。Adhikari等用Bayesian模型从MMP-2/MMP-9抑制剂中筛选出选择性作用于MMP-2的结构片段(Bioorg. Med. Chem., 2016, 24, 4291),从中组合得到化合物14。化合物14对MMP-2的IC50 为0.9 μM,相比于MMP-9具有8倍的选择性。将14和MMP-2结构对接,用从头药物设计程序LUDI进行基于片段的结构优化,从而得到众多衍生物,其中化合物15对MMP-2的IC50 = 24 nM,选择性提高至21倍。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.7. TRPM8 拮抗剂 来自大戟科植物毒叶下珠(Phyllanthus engleri)的天然产物(-)-Englerin A(化合物16)具有抗细胞增殖的作用,可以通过选择性激活瞬时受体电位钙离子通道(transient receptor potential canonical 4/5 calcium channels)杀死肾癌细胞,但它的急性毒性较大,不适合作为药物。Friedrich等人用DOGS软件以Englerin A为模板进行设计(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 6789),然后用CATS近似度打分,选出化合物17和18,尽管结构仍然复杂,但可以化学合成,进一步简化为化合物19和20。它们对TRPM8亚型的活性较好(KB = 1.4 μM和0.2 μM),但高浓度10 μM下不会抑制TRPV1钙离子通道,而且不具有细胞毒性。药效学研究发现,化合物20的S构型活性更好,呋喃环可以进行结构衍生,后续得到的化合物中,仅有一个能够阻断离子通道,没有化合物的活性高于20,这说明软件可以模拟天然产物进行结构简化得到高活性化合物。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.8. β2-肾上腺素能受体拮抗剂Chevillard用GVM (Growing via merging )流程设计β2-肾上腺素能受体拮抗剂(J. Med. Chem., 2018, 61, 1118)。以5个确定的核心片段开始,SEED程序将核心片段和还原胺化试剂组合得到新结构。再将得到的新结构与β2-肾上腺素能受体再次重新对接,从中选出了8个化合物进行合成,其中化合物21的活性最好,为最初活性片段的40倍,并且保留了很好的配体效率。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.9. 维生素A酸 X 和过氧化物酶体增殖物激活受体激动剂 Schneider等用“generative artificial intelligence“设计具有期望生物活性的类药化合物(Mol. Inf., 2018, 37, 1700153)。这套模式通过类神经网路从ChEMBL数据库的生物活性分子中学习化学结构。本案例中利用具有生物活性的25个脂肪酸类似化合物进行微调,作用于两种核受体,视黄醇类X受体(RXRs)和过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARs)。以常见于激动剂的羧酸为特殊片段,类神经网络生成了1000个结构全新的候选化合物,与25个训练化合物位于相同的化学空间,经过筛选最终选取了5个化合物进行合成。生物活性测试结果如下表所示,化合物活性大多在纳摩尔和微摩尔数量级上,符合苗头化合物的活性要求。这里注意的是,该程序设计出的化合物是可以合成的,而这正是以往从头药物设计程序的弱项。人工智能策略设计的化合物结构及生物活性。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.随后,这个课题组还成功运用这个工具开发了基于天然产物缬草酸valerenic acid的PXR配体,得到化合物22,它能在低微摩尔浓度下激活所有的三个RXR亚基,发挥RXRβ的高转录激活效率。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.10. JAK3抑制剂In Silico Medicine的一个科研小组应用新型的人工智能程序 “entangled conditional adversarial autoencoder (ECAAE)”设计了新颖的JAK3抑制剂(Mol. Pharm., 2018, 15, 4398)。他们从 ChEMBL数据库中筛选出作用于JAK3和JAK2的化合物,以望设计出只作用于JAK3 的分子。程序初始设计了30万个结构,通过分子对接和理化性质计算,筛选出5000个结构,然后进行分子动力学计算,最后药物化学家选出100个分子。其中化合物23被合成出来,体外测试发现它对JAK3的IC50 = 7 μM,分子量仅有318,而且对JAK2表现出一定的选择性(IC50 = 18 μM)。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.基于以上案例,Gisbert Schneider博士等人对当前自动从头药物设计进行了如下总结:1)目前的程序算法,可以设计出可合成的化合物,并且能够得到期望的高生物活性,这些化合物可以作为从苗头到先导化合物的起点。2)目前从头药物设计流程还需要人工输入,包括分子对接和程序筛选。另一方面,化合物设计需要人工干预,使化合物更容易合成。3)从头药物设计基于配体的虚拟筛选,即使仅仅知道一个已知配体结构,也可以将从头药物设计程序扩展到其他项目。很多案例证实了新设计的化合物结构和起点截然不同。不断出现的人工智能也影响着药物化学家,那么以后的自动从头药物设计会向哪方面发展呢?Gisbert Schneider博士等人作了如下预测:1)设计结构程序可以立刻启用,并且实时进行分子模拟,用户与AI互动增强。2)设计的绝大多数分子结构是可合成的,额外的AI负责逆合成分析,设计合成路线。3)可以在线从最新的活性数据中学习,并且始终自动优化预测精确度。 4)在分子设计的循环中,学习功能激活,能够在合成结构和测试上给出最优的建议。如今,人工智能已经渗入到科技和生活的各个领域,深度参与药物设计也是大势所趋。科技的进步和人类的期望密不可分。那么,你理想中的人工智能药物发现是什么样子呢?评论区里见!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):Automated De Novo Drug Design: Are We Nearly There Yet?Gisbert Schneider, David E. ClarkAngew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 10792-10803, DOI: 10.1002/anie.201814681导师介绍Gisbert Schneiderhttps://www.x-mol.com/university/faculty/2777

来源: X-MOL 2019-08-21

切中肯綮:联结纳米抗癌药物递送效率与疗效的症结

纳米药物的肿瘤递送效率和渗透性抗癌纳米载药系统(Drug Delivery Systems,DDSs)实现显著疗效并进一步临床转化,要求对药物递送中的诸多关键因素拥有透彻的理解。当前,增强抗癌药物疗效的主要策略是通过延长血液循环时间来提高纳米药物在肿瘤部位的富集效率。然而,对近十年先后报道的纳米载体进行统计后,Chan等发现能够积累在肿瘤部位的各类纳米颗粒(Nanoparticles)却只占注射剂量的0.7%(中位数)。于是研究者们转而试图理解和深入探究纳米药物在生物体内转运过程中面临的各种壁垒,以求寻找到联结肿瘤靶向效率与抗癌疗效的关键所在。作为药物递送的最后一站,肿瘤环境(Tumor Environment)对载药系统的影响越来越受到学者们的关注,尤其体现在对纳米药物在肿瘤血管的渗透性(Vascular Permeability)方面。不过,当前多数报道主要限于对作为载体(Delivery Vector)的纳米颗粒的研究,而鲜有同时对载体和所载药物的肿瘤渗透性以及其最终疗效的定量分析与讨论;同时,绝大多数纳米药物的尺寸(10 -100 nm)处在非肾清除(Non-renal Clearable)范围内。而最近报道的可以经由肾脏途径清除的新型载药系统(Renal Clearable DDSs),凭借其超小尺寸(<6 nm)而具备高效的肿瘤血管渗透性和肾脏清除的特点,表现出良好的肿瘤靶向性和较低生物毒性。对于这类超小尺寸且可肾清除的载药系统,目前仍缺乏一项能够联系其肿瘤血管渗透性与递药效率和疗效的详尽分析,而这将成为揭示这类载药系统特性和前景的关键问题。对此,美国德州大学达拉斯分校郑杰教授(点击查看介绍)团队(Zheng's Lab)彭传奇(点击查看介绍)(第一作者)等利用金纳米颗粒(Gold Nanoparticles, AuNPs)负载化疗药物阿霉素(Doxorubicin, DOX)制备了5 nm肾清除的载药系统(DDS-5)和30 nm非肾清除的载药系统(DDS-30),系统比较并讨论了二者的肿瘤富集效率,载体和药物在肿瘤内的渗透和运送,以及治疗指数。相关研究发表于Angew. Chem. Int. Ed. 杂志。纳米载体和药物的递送效率差异虽然基于同类型的纳米材料和药物以及载药方式,DDS-5和DDS-30却显示出截然不同的药物清除路径(图1):DDS-5主要经由肾脏清除,>22 %;DDS-30绝大多数积累在肝脏(>70 %)以及网状内皮系统(Reticuloendothelial System)。相比DDS-30而言,高效快速的肾途径清除可以显著降低DDS-5在正常组织积累和滞留,因而大大降低生物毒性。作者进而利用人乳腺癌细胞MCF-7的小鼠移植模型,同时比较了载体(Delivery Vector, AuNPs)的肿瘤靶向效率(Tumor Targeting Efficiency)和所载药物(Carried Drug, DOX)的递送效率(Drug Delivery Efficiency)。研究发现,虽然两种载药系统在尺寸和清除路径上有着极大的区别,DDS-5和DDS-30却拥有相似的肿瘤靶向效率(5.6 vs 5.0 AuNP %IDg-1);同时DDS-5血液循环滞留只有DDS-30的一半,却实现了两倍于DDS-30的药物递送效率(4.1 vs 2.0 DOX %IDg-1)。简言之,肾清除载药系统DDS-5可以在较快的体内清除效率和较低的背景存留的同时,保持更高的药物递送效率。图1. 纳米载药系统的尺寸,清除路径与肿瘤积累效率载药系统的肿瘤血管渗透性的关键作用为了揭示DDS-5比DDS-30显著的递药效率,作者对比了两种载药系统在肿瘤内的跨血管和间质运输(transvascular and interstitial transport)。首先,载体AuNPs的肿瘤内渗透与分布,证实小尺寸的DDS-5比大尺寸的DDS-30在肿瘤血管部位呈现出显著提高的溢出效率,并在肿瘤环境拥有更深的扩散距离。通过对DDS-5在整体肿瘤部位的分布(基于AuNPs),作者发现DDS-5具备了理想的药物递送性质:(1)在一定时间内(72小时),纳米药物能够有效渗透至两条相邻血管的居中部位,递药于广泛的肿瘤细胞;(2)同时在整体肿瘤的核心(inner tumor)、外周(peripheral tumor)以及肿瘤内外临界区域(intermediate region)呈现近于均匀分布。图2. 基于纳米载体(AuNPs)的肿瘤环境内渗透和扩散接下来,作者同样定量分析了所载药物DOX的肿瘤内分布(12小时)和递送过程,即通过统计肿瘤环境内距离血管中心不同距离的肿瘤细胞数目与摄入DOX的细胞比例(图3)。统计发现,在距血管不同深度,DDS-5成功递送DOX到肿瘤细胞内的比例(36-54 %)达到DDS-30(9-19 %)的2-5倍;此外,随着距血管距离从30到120 µm,DDS-5的递送效率也从2.8倍增加到4.7倍,表示此纳米药物深入到肿瘤环境内部。图3. 基于所载药物(DOX)的肿瘤环境内渗透和扩散由于DDS-5拥有显著高于DDS-30的递药效率和肿瘤渗透效率,作者进一步比较了两个载药系统的疗效(efficacy)和毒性(toxicity),评估了其治疗指数(therapeutic index)。结果显示,尽管两个载药系统拥有相似的肿瘤靶向效率,但相比DDS-30而言,DDS-5的疗效却显著提高约6.7倍,同时其毒性降低1.5倍。所以,DDS-5的治疗指数比DDS-30(和游离DOX)提高了10倍。值得注意的是,肾清除DDS-5显著提高的疗效,来源于其十分高效的肿瘤渗透效率,而并非像传统纳米药物一样依赖于延长的血液循环。图4. 显著提高的疗效和降低的毒性结语基于具有相似肿瘤靶向效率的两种载药系统,郑杰教授团队定量分析并比较了肾清除和非肾清除载药系统在肿瘤内的渗透性、疗效、生物毒性以及治疗指数。肾清除载药系统可以突破传统大尺寸载药系统在肿瘤环境的生理壁垒,实现显著的肿瘤靶向和高效的药物渗透性,有望成为一种独特而有效的递药手段。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):Correlating Anticancer Drug Delivery Efficiency with Vascular Permeability of Renal Clearable Versus Non‐renal Clearable NanocarriersChuanqi Peng, Mengxiao Yu, Jer-Tsong Hsieh, Payal Kapur, Jie ZhengAngew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201905738导师介绍郑杰https://www.x-mol.com/university/faculty/6473彭传奇https://www.x-mol.com/university/faculty/68990

来源: X-MOL 2019-08-15

上海交大刘尽尧团队Nat. Commun.:给活细菌穿上“迷彩服”

近日,上海交通大学分子医学研究院刘尽尧(点击查看介绍)课题组在国际著名期刊《自然•通讯》(Nature Communications)在线发表关于“隐形细菌”的最新研究成果,为细菌介导的生物医学应用提供新途径。值得一提的是,该论文为刘尽尧课题组建立以来完成并发表的第一项工作,上海交通大学为唯一完成单位。细菌是一种普遍存在的微生物,由于其独特的优势,例如可基因编辑、快速繁殖以及病灶部位特别是肿瘤部位易于富集的特点,细菌在生物成像、疾病诊断及治疗方面引起了广泛。然而,如何在保证安全性的同时提高体内效果依然面临巨大挑战,这是缘于两者之间的博弈。如果想要达到理想效果体内需要保有一定的菌量,但是大量细菌的引入又会引起机体炎症反应以及免疫系统的快速清除。比如,在细菌介导的肿瘤治疗方面,虽然有一系列工程细菌已进入I/II期临床试验,但是由于细菌所带来的剂量依赖型毒副作用及较低的治疗效果成为细菌治疗肿瘤道路中无法逾越的绊脚石。为解决该问题,刘尽尧团队将血细胞的细胞膜“外衣”脱下转而穿在细菌身上,提出一种“细菌隐身”的简单策略(图1)。该方法能一举两得,不仅能够在不影响细菌活性的前提下减少细菌所产生的免疫原性与炎症反应,而且由于红细胞膜具有天然的抗吞噬能力能显著降低机体免疫系统的清除进而提高细菌在肿瘤部位的富集。图1. 通过物理挤出方法可将细胞膜简单有效的包裹于各类形状的细菌表面以益生菌Nissle 1917为例,穿上细胞膜“迷彩服”后能显著提高体内保有量,从而提供更多的时间和机会使其借助厌氧趋向能力进入肿瘤组织,比未伪装的细菌提高42倍。作者通过细菌表达荧光素酶,实现了单次注射对肿瘤长达12天的精准成像。与小分子或纳米成像试剂不同,Nissle 1917能选择性的富集在肿瘤部位(>99.9%的细菌),而且可通过分裂增殖长时间停留在肿瘤组织内,达到肿瘤活体精准和长周期成像的效果(图2)。图2. 伪装细菌实现单次注射维持长达12天的活体肿瘤精准成像原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Camouflaging bacteria by wrapping with cell membranesZhenping Cao, Shanshan Cheng, Xinyue Wang, Yan Pang, Jinyao Liu Nat. Commun., 2019, 10, 3452, DOI: 10.1038/s41467-019-11390-8导师简介刘尽尧,上海交通大学医学院分子医学研究院、上海市肿瘤研究所癌基因及相关基因国家重点实验室,研究员,博士生导师。2013年博士毕业于上海交通大学(导师:中科院院士颜德岳教授),2013至2018年分别在杜克大学(导师:美国发明院院士Ashutosh Chilkoti教授)以及麻省理工学院(导师:美国三院院士Robert Langer教授)从事博士后研究。2018年4月全职加盟由中科院院士谭蔚泓教授领衔的上海交通大学医学院分子医学研究院。研究兴趣包括肠道菌群与疾病治疗、生物界面与免疫调控、纳米药物与药物递送、肿瘤早期诊断与成像等。目前主持国自然基金面上项目、上海交通大学医学院双百人计划等。至今,在Nat. Commun.,Angew. Chem. Int. Ed.,Adv. Mater.等期刊上发表论文30余篇,所发表论文SCI他引1400余次。相关工作被MIT News,Boston Herald等媒体报道。曾获教育部博士学术新人奖、科学院卢嘉锡优秀研究生奖、上海市优秀博士论文等。关于更多信息,请访问课题组主页www.liulab.org.cn  。https://www.x-mol.com/university/faculty/65946

来源: X-MOL 2019-08-13
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