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陈鹏研究组合作开发肿瘤特异性生物正交前药

        虽然化疗药物是目前抗肿瘤治疗的主要方法之一,但其毒副作用极大地限制了药物的剂量,并经常导致肿瘤的复发。肿瘤选择性前药策略能够在肿瘤靶区特异性地激活和释放药物,在改善药物的物理、化学、生物学和药代动力学特性,减少化疗药物的毒副作用等方面具有突出的优势。比较了以大分子抗体为代表的主动靶向策略和以纳米粒子为代表的被动靶向策略,利用了肿瘤过表达酶、活性氧和硫化氢的微环境特性。小分子给药构建超分子组装是一种新的靶向模式,在传递效率、生物安全等方面具有独特的优势。

        最近,北京大学化学与分子工程学院化学和分子工程学院陈鹏研究组与国家纳米科学中心合作,合作开展了酶引发的超分子自组装和生物正交键断裂反应。肿瘤细胞的原位和特异性前药激活不仅大大降低了抗癌药物的毒副作用,而且增强了靶向激活的能力。研究结果发表在自然通讯杂志(Nat.Commun.2018,DOI:10.1038/s41467-018-07490-6)上,标题为“Synergistic Enzymatic and Bioorthogonal Reactions for Selective Prodrug Activation in Living Systems”

        这项工作设计并合成了前药物激活开关Tetrazine的酶反应组装前体肽,并利用宫颈癌细胞过表达的磷酸酶原位构建了功能纳米组装。从而使前药活化开关获得肿瘤靶向性并大量富集。后面使用阿霉素前药TCO-DOX(其中,TCO为生物正交脱笼基团)在正常细胞或组织中未被激活,未产生毒性。然而,它可以有效地激活肿瘤,这大大提高了肿瘤细胞的杀伤效果(图1)。这项工作通过酶触发超分子自组装获得肿瘤靶向性,并与生物正交键断裂反应协同实现了时空可控的前药激活,构建了一种安全有效的肿瘤抑制策略。为扩大化疗药物的治疗窗口提供了新的思路。

图1。利用酶触发的超分子自组装和生物正交键断裂反应实现肿瘤细胞的特异性前药激活。

         通过靶向肿瘤细胞中磷酸酶的过度表达,癌细胞可以有效地与正常细胞区分开来。在宫颈癌HeLa细胞中,由于磷酸酶的过度表达,在当前体内浓度高于临界组装浓度时发生超分子自组装,从而使药物前激活开关Tetrazine分子在肿瘤细胞中得到特异性富集。然而,如果正常细胞中的HUVECs磷酸酶水平较低,则不存在自组装和Tetrazine富集。因此,肿瘤细胞的靶向是通过酶触发的超分子自组装来实现的。(图2a),为进一步特异性激活肿瘤细胞前药奠定了基础。经TCO修饰的前药TCO-Dox能显著降低阿霉素的细胞毒性,但癌细胞特异性富集的Tetrazine分子能特异性激活TCO-Dox,发挥杀伤癌细胞的作用,并显著抑制癌细胞的活性(图2 b-d)。

图2. 酶触发超分子自组装获得肿瘤靶向性,生物正交前药明显降低了对正常细胞的毒副作用,并可在癌细胞内特异激活。

        动物模型研究进一步证明Tetrazine开关可以选择性富集在肿瘤内,并特异激活前药释放阿霉素,使得肿瘤安排内阿霉素浓度明显高于肝脏等正常组织。肿瘤医治试验标明,自组装与生物正交反应的协同效应,可以明显按捺肿瘤成长,并具有良好的生物安全性(图3)。

图3。 酶触发的超分子自组装与生物正交断键反应的协同效应,可显著抑制肿瘤成长。

        陈鹏课题组在国际上率先提出并开展了生物正交断键反应(Bioorthogonal Cleavage Reactions),相关研讨一直处于国际领先水平。高远课题组长期致力于生理条件下的超分子自组装体系的研讨及其在肿瘤治疗范畴的应用。上述作业主要由高远课题组的博士后姚庆鑫,陈鹏课题组的研讨生林锋等合作完成;并得到了国家重点研发方案、国家自然科学基金等项目及北大-清华生命科学联合中心的赞助。

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