巢晖教授团队: 拓扑异构酶I/ II双重催化抑制剂诱导耐药肿瘤坏死性凋亡

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自顺铂在临床作为抗癌药物广泛应用，生物无机化学家对金属抗肿瘤药物有着浓厚的兴趣。中山大学巢晖教授课题组在发展金属抗肿瘤前药方面开展了系列研究工作。他们利用金属配合物性质易调控的优点，通过改变电荷、脂溶性，实现金属配合物对细胞器的靶向性富集调控（Coord. Chem. Rev., 2019, 378, 66）。在此基础上，利用金属配合物的长激发态寿命，构筑一系列单/双光子的光敏剂用于细胞器靶向的癌症治疗（Nat. Chem., 2019, 11, 1041; Nat. Commun., 2020, 11, 3262; Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14049; 2017, 56, 14898; 2019, 58, 14334; PNAS, 2018, 115, 5664; 2019, 116, 20296），为开发金属配合物用于生物治疗提供了新的研究思路。然而，与传统化疗药物类似，这类光敏剂通过诱导肿瘤细胞凋亡实现肿瘤治疗，同样也面临可能的耐药风险。至今为止，金属配合物诱导肿瘤细胞非凋亡性死亡、实现克服肿瘤耐药研究尚处于起步阶段。在前期实现诱导肿瘤细胞坏死、涨亡等非凋亡性死亡的工作基础上（Chem. Sci., 2018, 9, 5183; Chem. Commun., 2018, 54, 6268; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 3315），巢晖教授课题组开发了基于钌(II)配合物的拓扑异构酶 I/II双重催化抑制；进一步研究发现，配合物能诱导耐药肿瘤细胞坏死性凋亡，有效克服肿瘤耐药（图1）。

       作者通过辅助配体改变配合物的电荷和脂溶性，从而调控配合物的细胞摄取量和细胞器靶向性。其中环金属化配合物Ru7在具有高细胞摄取量的同时，实现了细胞核靶向富集（图2）。DNA拓扑异构酶（topoisomerase，Topo）为催化DNA拓扑学异构体互相转变的酶的总称，可调控DNA转录、复制和基因表达。根据催化机制，Topo酶划分为Topo I和Topo II，因在肿瘤细胞中高表达而成为临床肿瘤治疗靶点。喜树碱（Topo I抑制剂）和依托泊苷（Topo II抑制剂）是其代表性药物，但这类单一酶抑制剂的疗效受多种因素限制，与之相比，Topo I/II双重抑制剂具有显著的治疗优势。利用DNA松弛、断裂和凝胶电泳迁移率转移分析，辅助分子对接模拟计算，证实Ru7通过π-π堆积、阳离子-π相互作用以及氢键与Topo I/II的催化口袋相结合，从而阻止DNA拓扑异构酶与DNA的结合，是罕见的Topo I/II双重催化抑制剂。

图2. 钌(II)配合物细胞摄取及细胞核靶向性

       抗肿瘤实验表明Ru7能诱导肿瘤细胞发生坏死性凋亡。细胞信号通路研究证实Ru7通过抑制Topo I/II活性、诱导DNA损伤、激活DNA修复酶PARP-1及下游RIPK1-RIPK3-MLKL坏死性凋亡核心通路，从而有效地克服肿瘤耐药（图3）。该研究首次揭示了钌(II)配合物通过抑制拓扑异构酶，诱导肿瘤细胞坏死性凋亡之间的内在联系。作者进一步开展了小鼠耐药肿瘤模型测试，评估诱导肿瘤细胞坏死性凋亡的金属配合物活体抗肿瘤效果。实验结果表明，经过4天1次腹腔注射给药，连续24天治疗后，Ru7在裸鼠耐药肿瘤模型中表现出非常优异的抗肿瘤活性；荷瘤鼠主要组织器官的切片染色观察表明Ru7并没有造成明显的组织损伤或病变，同时给药组的裸鼠也没有出现体重下降或行为异常的情况（图3）。

       相关结果发表在化学综合期刊Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者是中山大学化学学院博士研究生熊凯，陈禹副教授（中山大学）、万坚教授（华中师范大学）、巢晖教授（中山大学）为共同通讯作者。(Kai Xiong, Chen Qian, Yixian Yuan, Lin Wei, Xinxing Liao, Liting He, Thomas W. Rees, Yu Chen*, Jian Wan*, Liangnian Ji, Hui Chao*, “Necroptosis Induced by Ruthenium(II) Complexes as Dual Catalytic Inhibitors of Topoisomerase I/II”, Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI. 10.1002/anie.202006089)。全文链接：https:// DOI: 10.1002/anie.202006089。
      该项研究得到了以上研究工作得到了国家自然科学基金（21525105, 21778079, 21977126），教育部 （No. IRT-17R111），中央高校基本科研业务费（20lgjc01）和广州“珠江科技新星”计划 （201806010136）等项目的资助。


       文章来源：中山大学
       巢晖，中山大学教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者(2015)，入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”(2006 )和广东特支计划“百千万工程领军人才”(2016 ) 。1992年毕业于湘潭师范学院(现湖南科技大学) ，1997年于南开大学获硕士学位，2000年于中山大学获博士学位。2000年至2003年多次赴香港科技大学化学系合作科研。2004年至2005年在美国Texas A&M大学化学系进行博士后研究。主要从事基于金属配合物的生物荧光探针和抗肿瘤药物研究。作为主持人承担国家自然科学基金、973计划课题、教育部、广东省科技项目等20多项。在Chem. Soc. Rev., Coord. Chem. Rev., Proc. Natl, Acad. Sci. USA, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Small, Biomaterials, Chem. Commun., Chem. Eur. J., J. Med. Chem.等国际期刊发表SCI论文180多篇，论文总他引4600多次；申请中国发明专利16件，授权12件；参编专著教材5部。2005年获中国化学会“青年化学奖”， 2011年获广东省科学技术奖一等奖（第二完成人），2012年被评为南粤优秀教师（广东省），2012年获国家自然科学奖二等奖（第三完成人），2014年获宝钢优秀教师奖。目前担任中国化学会化学生物学专业委员会委员、药物化学与分子诊断教育部重点实验室（河北大学）学术委员会委员、《Scientific Reports》编委、《Journal of Inorganic Biochemistry》编委、《大学化学》编委。