調(diào)控腫瘤缺氧誘導(dǎo)因子的錳模擬酶及其納米R(shí)NA復(fù)合物研究進(jìn)展

方秀林，杜夏，陳秋云*，高靜

（1. 江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

錳是人體內(nèi)一種微量元素，也是錳超氧化物歧化酶（MnSOD）、錳過氧化氫酶（Mn catalase）等多種酶的活性中心金屬離子，參與機(jī)體多種功能的維持。MnSOD和錳過氧化氫酶等錳酶結(jié)構(gòu)模擬物及其化學(xué)性能相繼被報(bào)道[1]，但錳酶模擬物在缺氧調(diào)控領(lǐng)域的運(yùn)用報(bào)道較少。近年來，隨著靶向型抗腫瘤金屬藥物的發(fā)展，金屬酶模擬物及其生物活性引起人們的重視。小分子錳酶模擬物集小分子抑制劑、酶的功能模擬、線粒體功能的調(diào)控及金屬離子成像特性為一體，是一種多效應(yīng)金屬藥物。許多實(shí)體瘤均存在缺氧的微環(huán)境，干預(yù)腫瘤缺氧的微環(huán)境成為腫瘤診斷與治療藥物開發(fā)的途徑之一。本文就錳酶模擬物對腫瘤缺氧信號(hào)的調(diào)控情況及納米酶-siRNA復(fù)合物協(xié)同干預(yù)腫瘤缺氧信號(hào)的研究進(jìn)展作一綜述，以期為缺氧腫瘤治療藥物的研究提供參考。

1 缺氧誘導(dǎo)因子與腫瘤

1.1 缺氧誘導(dǎo)因子

缺氧是實(shí)體瘤的顯著特征，腫瘤細(xì)胞快速增殖形成大的實(shí)體瘤腫塊，導(dǎo)致這些腫塊周圍的血管阻塞和壓縮，異常的血管往往不能正常工作，導(dǎo)致向中心腫瘤區(qū)域供氧不足[1]。缺氧環(huán)境可刺激腫瘤血管的生成，目前認(rèn)為缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）在該過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，HIF-1的激活是這種缺氧微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞常采用的存活途徑，目的是適應(yīng)低氧壓力條件[2]?；罨腍IF-1可通過轉(zhuǎn)錄激活100多個(gè)下游基因，調(diào)節(jié)腫瘤生存和進(jìn)展所需的重要生物學(xué)過程[3]，高表達(dá)的HIF也是腫瘤放化療產(chǎn)生耐藥性的一個(gè)不良預(yù)后標(biāo)志物，其中涉及腫瘤細(xì)胞的葡萄糖代謝，腫瘤細(xì)胞增殖、遷移和血管生成，所以，HIF在腫瘤細(xì)胞中的激活是協(xié)調(diào)腫瘤適應(yīng)缺氧環(huán)境的主要機(jī)制之一[4]。

1.2 缺氧誘導(dǎo)因子與腫瘤能量代謝

在快速生長的腫瘤組織中，缺氧微環(huán)境下HIF-1的高表達(dá)可促使腫瘤細(xì)胞將葡萄糖代謝從更有效的氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)榈托У奶墙徒馔緩?，以便維持它們的能量生產(chǎn)，這就是Warburg效應(yīng)[5]，故低氧環(huán)境下的腫瘤細(xì)胞傾向于消耗更多的葡萄糖以滿足其能量需求。HIF-1通過誘導(dǎo)參與糖酵解途徑的酶和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體（GLUT）的過表達(dá)來介導(dǎo)這種代謝轉(zhuǎn)化，具體表現(xiàn)為腫瘤細(xì)胞中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（GLUT1、GLUT3）和糖酵解酶[人果糖二磷酸醛縮酶A（ALDOA）]、重組人烯醇化酶1（ENO1）、甘油醛-3-磷酸脫氫酶（GAPDH）、己糖激酶1（HK1）、己糖激酶2（HK2）、肝臟磷酸果糖激酶（PFKL）、磷酸甘油酸激酶1（PGK1）、丙酮酸激酶M2（PKM2）和乳酸脫氫酶A（LDH-A）的高表達(dá)，可以提高糖酵解效率，并產(chǎn)生大量乳酸，形成酸性的腫瘤微環(huán)境，從而進(jìn)一步促進(jìn)腫瘤的轉(zhuǎn)移[6]。另有研究顯示，HIF-1還可通過增加丙酮酸脫氫酶激酶1（PDK1）的表達(dá)來抑制線粒體氧化代謝[7]。因此，HIF-1的積極表達(dá)可調(diào)控腫瘤細(xì)胞的代謝重編程，以利于腫瘤細(xì)胞適應(yīng)低氧應(yīng)激[8]。

1.3 缺氧誘導(dǎo)因子與免疫調(diào)節(jié)

腫瘤的免疫逃逸是腫瘤的十大特點(diǎn)之一，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道這種腫瘤的惡性進(jìn)展與其缺氧的微環(huán)境息息相關(guān)。缺氧可以通過改變先天性和適應(yīng)性免疫細(xì)胞的功能或通過增加腫瘤細(xì)胞對免疫效應(yīng)的細(xì)胞溶解活性來對抗機(jī)體的免疫應(yīng)答[9]。程序性死亡受體1（PD-1）是一種重要的免疫抑制分子，其在腫瘤細(xì)胞中極為活躍，PD-1與其配體（PD-L1）的結(jié)合會(huì)啟動(dòng)T細(xì)胞的程序性死亡，使腫瘤細(xì)胞獲得免疫逃逸，同時(shí)腫瘤細(xì)胞在缺氧狀態(tài)下高表達(dá)HIF及其下游通路蛋白，調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞免疫應(yīng)答，從而逃避免疫系統(tǒng)的識(shí)別攻擊[10]。研究表明，缺氧條件下，HIF-1與PD-L1高度共表達(dá)，且呈正相關(guān)，PD-L1是HIF-1的直接靶基因[11]。另有研究認(rèn)為，由于正常細(xì)胞中HIF-1表達(dá)受HIF-1脯氨酸羥化酶（PHD）的調(diào)控，因此設(shè)計(jì)人工小分子PHD抑制腫瘤進(jìn)程中的免疫逃逸或抑制腫瘤HIF的表達(dá)是腫瘤治療的新途徑[12]。

2 酶模擬物及其對缺氧信號(hào)的調(diào)控

2.1 脯氨酸羥化酶模擬物

錳作為人體必需的微量元素之一，主要分布在線粒體豐富的腦、肝、胰腺及腎組織，是過氧化氫酶等多種酶的活性中心或輔助因子，具有較好的生物化學(xué)效應(yīng)。由于腫瘤細(xì)胞線粒體膜電位高于正常細(xì)胞，金屬配合物能通過線粒體膜電位誘導(dǎo)的被動(dòng)富集作用進(jìn)入腫瘤細(xì)胞的線粒體[13]。線粒體是參與錳配合物誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的重要細(xì)胞器[14]。Miriyala等[15]和Panchatcharam等[16]報(bào)道，錳卟啉配合物（化合物1）能穿過線粒體膜進(jìn)入線粒體，在線粒體內(nèi)起MnSOD酶的作用，調(diào)節(jié)線粒體氧化還原環(huán)境，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡。HIF-1α能被PHD降解，其中PHD屬于活性中心為二價(jià)鐵離子的非血紅素氧化酶。陳秋云研究團(tuán)隊(duì)用錳替代PHD結(jié)構(gòu)活性中心二價(jià)鐵（化合物2），制備了其結(jié)構(gòu)模擬物（化合物3），結(jié)果表明化合物3能與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合進(jìn)入轉(zhuǎn)鐵蛋白高表達(dá)的腫瘤細(xì)胞[17-18]。腫瘤細(xì)胞中的轉(zhuǎn)鐵蛋白高于正常細(xì)胞，因此錳配合物對于腫瘤細(xì)胞具有較好的識(shí)別能力，除了減弱腫瘤細(xì)胞的線粒體的功能外，還具有活性氧（reactive oxygen species，ROS）信號(hào)傳導(dǎo)的自噬細(xì)胞死亡的功能[19]；當(dāng)ROS被清除時(shí)，抑制劑誘導(dǎo)的自噬受到阻礙[20]。另外，線粒體中過量產(chǎn)生的ROS可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和自噬蛋白質(zhì)的釋放[21]。Pialoux等[22]報(bào)道一定量ROS負(fù)責(zé)穩(wěn)定HIF-1α，而低劑量的外源性H2O2可上調(diào)HIF-1α的表達(dá)。Chen等[23]發(fā)現(xiàn)化合物3和三氮環(huán)十二烷配體的過氧化氫酶模擬物（化合物4）進(jìn)行短期預(yù)處理能阻止H2O2誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡。此外，Kaewpila等[24]的研究結(jié)果顯示：錳超氧化物歧化酶能抑制低氧誘導(dǎo)的HIF-1α、干預(yù)抗凋亡蛋白（Bcl-2）和神經(jīng)保護(hù)性HIF-1α下游基因[血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和促紅細(xì)胞生成素（EPO）]的表達(dá)。上述文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果說明用小分子錳酶模擬物干預(yù)HIF-1α，可觸發(fā)線腫瘤細(xì)胞粒體無氧糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸姿峄瘉碚{(diào)節(jié)能量代謝，這為靶向癌癥代謝開啟了一個(gè)治療窗口。

2.2 錳酶模擬物對腫瘤代謝的調(diào)控

腫瘤細(xì)胞在氧氣充足的情況下仍然選擇糖酵解的代謝方式為瘤體供能，即有氧糖酵解[25]。腫瘤有氧糖酵解可導(dǎo)致丙酮酸進(jìn)入線粒體，致三羧酸循環(huán)代謝被抑制，同時(shí)，LDH-A表達(dá)增多，從而促進(jìn)丙酮酸進(jìn)入糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為乳酸，導(dǎo)致一個(gè)酸性的微環(huán)境出現(xiàn)而使腫瘤細(xì)胞更具有侵襲性[26-27]。LDH-A是HIF-1α調(diào)控并影響腫瘤糖酵解途徑中高度活化的酶[28]。陳秋云研究團(tuán)隊(duì)將具有乳酸脫氫酶識(shí)別基團(tuán)（吡咯甲酮基）與二吡啶甲基胺錳配合物共價(jià)偶聯(lián)制備成錳配合物（化合物5），其具有調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞線粒體膜電位與線粒體鈣吸收等特性，還可以抑制LDH-A的表達(dá)，從而減少乳酸的生成，降低HepG-2細(xì)胞中HIF-1α和GLUT1的表達(dá)，減弱腫瘤細(xì)胞的有氧糖酵解[29]。另外，線粒體代謝中脂肪酸合酶（FASN）是脂肪酸代謝的關(guān)鍵酶，負(fù)責(zé)將丙二酸單酰輔酶A和乙酰輔酶A轉(zhuǎn)變成脂肪酸。與正常細(xì)胞外源性攝取脂肪酸相比，腫瘤細(xì)胞偏好于依賴FASN從頭合成脂肪酸，F(xiàn)ASN成為開發(fā)調(diào)節(jié)腫瘤能量藥物的靶點(diǎn)之一[30]。有機(jī)小分子脂肪酸合成酶抑制劑已有較多報(bào)道[31]，金屬藥物用于脂肪酶抑制報(bào)道較少。Wang等[32]研究了化合物5與FASN的結(jié)合作用及其對乳腺癌細(xì)胞中的FASN表達(dá)量的影響，結(jié)果表明化合物5可以與FASN結(jié)合，降低乳腺癌細(xì)胞中FASN的表達(dá)量，調(diào)節(jié)糖酵解和脂肪酸代謝的交互機(jī)制，從而影響乳腺癌細(xì)胞的生長。綜上所述，錳配合物可通過抑制乳酸的生成來調(diào)節(jié)氧化磷酸化與糖酵解之間的平衡，從而改變腫瘤微環(huán)境，通過干擾脂肪酸的合成來調(diào)控腫瘤細(xì)胞線粒體代謝。

3 納米錳缺氧抑制劑

為提高腫瘤細(xì)胞對金屬模擬酶的吸收，近年來，納米酶模擬物成為研究的熱點(diǎn)。Attar等[33]報(bào)道了金屬納米模擬酶及其在生物醫(yī)學(xué)方面運(yùn)用的研究進(jìn)展。腫瘤細(xì)胞中過氧化氫的濃度高于正常細(xì)胞，過氧化氫響應(yīng)的抗腫瘤化合物具有腫瘤細(xì)胞內(nèi)過氧化氫激活的抗腫瘤效應(yīng)，可提高對腫瘤的抑制作用，并且減少對其他非靶向部位的毒副作用，降低抗腫瘤配合物的副作用，腫瘤靶向RGD肽（精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸）修飾納米過氧化氫酶模擬物可提高納米酶模擬物在腫瘤細(xì)胞的吸收[34]。近期，胍胺修飾的納米硅酸錳被用于缺氧腫瘤細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽（GSH）及過氧化物酶4的抑制，從而通過ROS及GSH途徑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡（ferroptosis）[35]。由于氧化錳為酸響應(yīng)的Mn2+釋放體，因此，以氧化錳為外殼、磁性碳化鐵為核包裹葡萄糖氧化酶（GOD）可作為Mn2+、O2和GOD的輸送體，從而調(diào)節(jié)腫瘤的微環(huán)境[36]。Musetti等[37]發(fā)現(xiàn)，鐵蛋白納米籠（ferritin nanocages，F(xiàn)Tns）能富集在轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（TfR1）高表達(dá)的缺氧腫瘤細(xì)胞，也能作用于T-細(xì)胞免疫球蛋白黏蛋白分子-2（TIM-2），抑制HIF-1α的表達(dá)，通過HIF-1α及ROS等發(fā)揮的多種效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對腫瘤的抑制作用。另有研究顯示，近紅外光激活的納米錳復(fù)合物可利用光和水產(chǎn)生單線態(tài)氧，彌補(bǔ)腫瘤缺氧環(huán)境中光動(dòng)力學(xué)治療（PDT）試劑不能有效產(chǎn)生單線態(tài)氧的缺陷，這類光活性錳復(fù)合物是光響應(yīng)及過氧化氫激活的納米HIF-1α抑制劑[38]。為提高金屬配合物靶向性，降低其非特異性吸收，在牛血清白蛋白（BSA）包裹的錳配合物的外殼上通過共價(jià)鍵修飾引入腫瘤細(xì)胞高表達(dá)的GLUT-1核酸適配體，可以提高納米顆粒對腫瘤的識(shí)別，因而GLUT-1與BSA修飾的納米錳配合物具有腫瘤靶向性吸收、光驅(qū)動(dòng)釋放氧與熱量的功能，該納米顆粒能抑制GLUT-1與HIF-1α的表達(dá)，通過線粒體途徑干擾腫瘤的能量代謝，實(shí)現(xiàn)腫瘤的抑制效應(yīng)[39]。此外，以PtCo作為氧化酶模擬物、MnO2為過氧化氫酶模擬物能獲得缺氧響應(yīng)的納米金屬藥物MnO2@PtCo，其不僅能緩解缺氧，還可通過ROS途徑抑制腫瘤的生長[40]。最近，有研究認(rèn)為可提高細(xì)胞內(nèi)氧壓或運(yùn)用修飾的MnO2納米酶緩解缺氧并作為ROS產(chǎn)生源，從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡[41-42]。然而，目前納米氧化酶的體內(nèi)毒性與生物效應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

4 納米磁性RNA輸送體

長期以來通過化學(xué)試劑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而引起HIF-1α的下調(diào)，利用基因干預(yù)HIF-1α是近年來研究的熱點(diǎn)之一。HIF-1α主要存在于細(xì)胞核中，通過干預(yù)存在線粒體中的少量HIF-1α來探索腫瘤的能量代謝調(diào)控是該研究的新途徑。由于DNA分子上磷酸基團(tuán)及堿基上N、O與金屬離子具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，因此金屬DNA納米球可用于神經(jīng)生長因子siRNA的輸送，干預(yù)胰腺癌的生長[43]。陳秋云研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用富含鳥嘌呤-腺嘌呤-鳥嘌呤（GAG）堿基序列的核酸與Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）配位組裝制備了線粒體靶向siRNA輸送體，該輸送體能通過電荷作用與堿基配對雙效作用負(fù)載siRNA到線粒體，干擾HIF-1α的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了缺氧乳腺癌的基因治療[44]。由于HIF-1α能夠被miRNA調(diào)節(jié)，Yang等[45]通過miRNA對HIF-1α表達(dá)的抑制來控制腫瘤的生長，這也是腫瘤缺氧基因治療的有效途徑。綜上所述，金屬配位誘導(dǎo)組裝制備的納米金屬核酸具有藥物輸送、基因輸送及生物相溶性好等特點(diǎn)，是具有良好發(fā)展前景的多效應(yīng)缺氧調(diào)控納米藥物。

5 結(jié)論與展望

目前，有關(guān)氧化酶模擬性能的錳配合物及納米氧化酶模擬物的結(jié)構(gòu)與性能已進(jìn)行了深入的研究[46-47]，錳酶模擬物具有多模態(tài)成像、線粒體途徑調(diào)節(jié)腫瘤缺氧信號(hào)的功能，尤其是納米有機(jī)金屬錳藥物有望借助多模分子影像技術(shù)用于磁共振成像（MRI）影像監(jiān)測治療。錳配合物及納米復(fù)合物在細(xì)胞及動(dòng)物水平實(shí)現(xiàn)了對缺氧腫瘤的調(diào)控，但化合物的作用機(jī)制尚未闡明。根據(jù)缺氧腫瘤生物標(biāo)志物，設(shè)計(jì)生物分子激活的納米酶是開發(fā)低毒性納米藥物的有效途徑，此外，集化學(xué)治療與基因輸送為一體的錳酶模擬物是具有良好發(fā)展前景的多效應(yīng)缺氧調(diào)控納米藥物。