癌癥是世界范圍內(nèi)發(fā)病率和死亡率最高的疾病之一,據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示:每年死亡的人群中,約有六分之一的人死于癌癥。目前,化學藥物治療(化療)、放射治療和手術治療是三大主要的癌癥治療方式。在臨床治療中,傳統(tǒng)的化療藥物,如順鉑、紫杉醇、阿霉素等,往往存在嚴重的毒副作用,這主要歸因于它們無法選擇性地區(qū)分癌細胞和正常細胞。因此,化療猶如一把“雙刃劍”,在治療中會給病人帶來極大的痛苦。如何改良現(xiàn)有的臨床抗癌藥物,降低其毒副作用并提高藥效,是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。
為此,在國家自然科學基金委的資助下,清華大學化學系張希教授與首都醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院孫志偉教授合作,提出了“超分子化療”的新概念,致力于利用超分子化學的策略,降低化療藥物對正常細胞的毒性,并提高其抗癌療效。
超分子化療從臨床抗癌藥物出發(fā),采用超分子主體與藥物客體結合,通過主客體相互作用,構筑超分子抗癌藥物。當藥物分子被包結在主體空腔內(nèi)時,它對正常細胞的毒性顯著降低。更為重要的是,腫瘤內(nèi)環(huán)境會過度表達一些特有的標志物(如精胺等),利用這些腫瘤標記物與主體的競爭性結合,抗癌藥物可以在癌細胞內(nèi)可控地釋放,從而選擇性地恢復抗癌活性。由于精胺等腫瘤標記物是癌細胞生長所必須的物質(zhì),在藥物活性恢復的同時,標記物的消耗可以進一步增強藥物的藥效,最終實現(xiàn)高效低毒的目的。
2016年,他們首先以二甲基紫精作為模型藥物,驗證了“超分子化療”概念的可行性。如圖1 所示,他們采用超分子主體葫蘆[7]脲結合二甲基紫精,構筑穩(wěn)定的1:1主客體復合物。由于二甲基紫精被包裹進主體空腔中,它對正常細胞的毒性被顯著降低。在腸癌和肺癌中過度表達的精胺,可以與葫蘆[7]脲發(fā)生主客體復合,其結合能力與二甲基紫精相當。因而,依靠過表達的濃度優(yōu)勢,精胺可以將二甲基紫精從主體空腔中競爭釋放出來,使其在癌細胞內(nèi)恢復抗癌活性。更有趣的是,二甲基紫精與葫蘆[7]脲的主客體復合物明顯表現(xiàn)出比單獨的二甲基紫精更強的抗癌活性�?紤]到葫蘆[7]脲本身幾乎無毒,而精胺是癌細胞增殖和分裂不可或缺的物質(zhì),因此,藥物的釋放和精胺的消耗共同作用導致了抗癌活性的增強。(參見陳月月、黃澤寰等ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8(35), 22780-22784)
圖1以二甲基紫精為模型藥物驗證超分子化療的可行性
2017年,在前面工作的基礎上,他們將“超分子化療”首次運用到臨床抗癌藥物當中,如圖2所示,采用葫蘆[7]脲來結合第三代順鉑類抗癌藥---奧沙利鉑,實現(xiàn)了超分子化療的根本目的。奧沙利鉑是一種腸癌的特效藥,它與葫蘆[7]脲的主客體復合,大幅度降低了它對腸正常細胞的毒性。奧沙利鉑與葫蘆[7]脲的結合常數(shù)在106 M-1,結合能力與精胺相當。在腸癌細胞內(nèi),過度表達的精胺可以通過濃度優(yōu)勢,將奧沙利鉑從葫蘆[7]脲中競爭釋放出來,從而實現(xiàn)對腸癌細胞的選擇性殺傷。更重要的是,奧沙利鉑與葫蘆[7]脲復合得到的超分子藥物展現(xiàn)出比原藥更強的抗癌活性,增強幅度超過了10%。為了研究活性增強背后的機理,他們通過測定精胺合成酶的濃度,間接地證明了超分子藥物可以更顯著地降低癌細胞內(nèi)的精胺濃度,從而促進癌細胞的凋亡,增強了藥物的抗癌活性。這項研究工作表明:“超分子化療”有望應用在精胺過度表達的癌癥(如腸癌、肺癌等)治療。(參見陳月月、黃澤寰ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9(10), 8602-8608,被選為ACS Editors’ Choice)
圖2基于葫蘆[7]脲構筑的高效低毒超分子化療體系
2018年初,他們再次將“超分子化療”拓展到了羧基化柱[6]芳烴的超分子主體當中(圖3)。基于類似的策略,羧基化柱[6]芳烴與奧沙利鉑的主客體復合,不僅顯著地降低了其對正常細胞的毒性,而且抗癌活性比單獨使用奧沙利鉑增強了約20%。在這項工作中,抗癌活性的增強,不僅細胞水平上得以實現(xiàn),并且在裸鼠動物模型上同樣得到了驗證。在超分子化療中,藥物在癌細胞中的釋放效率,取決于腫瘤標志物與超分子主體的競爭結合能力。這一體系中,奧沙利鉑與羧基化柱[6]芳烴的結合常數(shù)為104 M-1,而生理條件下被質(zhì)子化的精胺,可以通過多重靜電相互作用,與帶有負電荷的羧基化柱[6]芳烴結合常數(shù)高達107 M-1�;谌齻€數(shù)量級的優(yōu)勢,精胺可以將奧沙利鉑定量地競爭置換出來,使其抗癌活性得以徹底恢復。同時,羧基化柱[6]芳烴同樣可以消耗精胺,共同促進抗癌效果的增強。這項工作進一步展現(xiàn)了超分子化療的應用前景,可以預見更多含負電荷的超分子主體有望被應用到超分子化療中。(參見郝奇、陳月月等ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10(6), 5365-5372)
圖3基于羧基化柱[6]芳烴構筑的高效低毒超分子化療體系
最近,為了解決超分子藥物長循環(huán)較差的問題,他們最近提出了“超分子聚合物化療”新方法。如圖4所示,他們將葫蘆[7]脲與聚乙二醇偶聯(lián)聚合起來,構筑了一種主鏈型聚葫蘆[7]脲。通過聚葫蘆[7]脲與奧沙利鉑的主客體復合,奧沙利鉑的長循環(huán)效果顯著改善。同樣地,聚合物型超分子藥物可以起到降毒增效的效果,這一結論在裸鼠模型中也得到確證。考慮到超分子化學、聚合物化學和藥物化學的結合,能夠產(chǎn)生多種新穎結構與功能,超分子聚合物化療具有巨大的發(fā)展空間,有可能豐富超分子化療的內(nèi)涵。(參見陳浩、陳月月等Biomaterials, 2018, ASAP, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2018.02.051)
圖4基于聚葫蘆[7]脲構筑的超分子聚合物化療體系
論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961218301510
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