3-溴丙酮酸與納米材料結(jié)合應(yīng)用于腫瘤治療的研究進展*

何依蔓 綜述,張 亮，王 冬△審校

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院超聲科 400016；2.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院超聲科 400010)

癌癥被列為人類死亡的主要原因，占全球人類所有死亡的13%[1]。這種嚴(yán)峻形勢促使人們?nèi)ソ沂景┌Y的發(fā)病機制，建立有效的預(yù)防方法，并尋求新的癌癥篩查和診斷方法及治療方法。

腫瘤代謝被認(rèn)為是癌癥的新興標(biāo)志[2]。能量代謝的改變不僅為癌細胞提供生長所需的能量(ATP)，同時還向腫瘤細胞提供了增殖所需的營養(yǎng)物質(zhì)，如核苷酸、氨基酸和脂質(zhì)等，這些能量和營養(yǎng)物質(zhì)為腫瘤細胞快速增殖，惡性侵襲和轉(zhuǎn)移提供了條件[3]。

1956年，德國科學(xué)家Otto Warburg認(rèn)識到了癌細胞獨特的代謝特征，并提出了“有氧糖酵解”的概念，即無論是否存在氧氣，腫瘤細胞總是優(yōu)先通過葡萄糖發(fā)酵成乳酸來獲取能量，這種現(xiàn)象也被稱為“ Warburg效應(yīng)”。

3-溴丙酮酸(3-bromopyruvate，3-BrPA)作為丙酮酸和乳酸的類似物,是一種小分子烷基化試劑，其主要通過抑制腫瘤細胞糖酵解和線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)來殺死腫瘤細胞[4]。目前，3-BrPA已被證明具有廣泛的抗腫瘤作用，但是在臨床上仍面臨一些不良反應(yīng)，所以尚未普遍應(yīng)用于臨床腫瘤治療[5]。本文重點針對現(xiàn)有3-BrPA與納米材料結(jié)合應(yīng)用于腫瘤治療的優(yōu)勢進行討論，同時也探討腫瘤代謝的改變，以及3-BrPA用于腫瘤治療的機制，旨在為3-BrPA用于臨床抗腫瘤治療，尤其是難治性神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的治療，提供新的思路與方向。

1 腫瘤代謝改變

腫瘤細胞為滿足其快速生長所需的能量及物質(zhì)需求，往往需要進行代謝重編程[6]。首先，腫瘤細胞通過定量、定性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運蛋白的變化，來攝取大量營養(yǎng)物質(zhì)[7]。其中葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUTs，特別是GLUT-1和GLUT-3)的上調(diào)，促進了大量葡萄糖的攝取，為惡性細胞能量代謝提供充足的物質(zhì)前提[8]。此外，單羧酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白(MCTs)在大多數(shù)腫瘤中過表達，其中MCT1主要用于攝取乳酸，而MCT4主要用于排出腫瘤細胞內(nèi)過量的乳酸，維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。還有研究表明，多數(shù)腫瘤細胞還會過表達谷氨酰胺和其他氨基酸的轉(zhuǎn)運蛋白，而谷氨酰胺有助于腫瘤細胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)[9]。

除了轉(zhuǎn)運蛋白的改變，腫瘤細胞還通過上調(diào)催化酶的表達，加快其代謝速度[7]。已知己糖激酶(HK)可以將葡萄糖磷酸化為6-磷酸葡萄糖，其中HK2在大多數(shù)腫瘤細胞中選擇性過表達[10-11]，在腫瘤細胞中，大約有80%的HK2通過電壓依賴性蛋白(VDAC)與線粒體結(jié)合，與線粒體結(jié)合的HK2可以獲取葡萄糖磷酸化所需的ATP,從而加速糖酵解[12]。3-磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)是糖酵解中的另一種關(guān)鍵酶，GAPDH通常在各種惡性腫瘤中過表達，其表達與不良預(yù)后相關(guān)[13]。

“Warburg效應(yīng)”并不意味著腫瘤細胞線粒體功能障礙。有觀察結(jié)果表明，線粒體在癌細胞代謝中起關(guān)鍵作用，線粒體OXPHOS和谷氨酰胺分解有助于癌癥進展和轉(zhuǎn)移[14]。在正常細胞中，丙酮酸脫氫酶(PDH)可以將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，乙酰輔酶A再進入線粒體，參與線粒體OXPHOS，但在腫瘤細胞中，由于丙酮酸脫氫酶激酶(PDK)上調(diào)，對PDH起負(fù)調(diào)節(jié)作用。 PDH的失活，導(dǎo)致大部分丙酮酸被乳酸脫氫酶(LDH)代謝為乳酸。此外，LDH在腫瘤細胞中過表達，也促進了糖酵解的發(fā)生[15]。

糖酵解還為腫瘤細胞提供了快速增殖和惡性進展所需的大分子物質(zhì)。例如，糖酵解產(chǎn)生的還原型輔酶Ⅱ(NADPH)，可以使癌細胞維持抗氧化型谷胱甘肽(GSH)的供應(yīng)，這是維持細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)并保護癌細胞免受化學(xué)藥物損傷作用所必需的[16]。此外，腫瘤細胞產(chǎn)生的乳酸，通過MCT外排，在細胞外形成酸性微環(huán)境，也促進了癌細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[17]。

2 3-BrPA作用機制

盡管腫瘤細胞代謝的改變?yōu)槠淇焖僭鲋澈娃D(zhuǎn)移提供了充足的能量和底物，但與此同時，這些改變也可以成為治療癌癥的關(guān)鍵靶點。近年來，小分子烷基化劑試劑3-BrPA受到了大量科研人員的廣泛關(guān)注，因為其對生物大分子(例如酶和蛋白質(zhì))具有很強的烷基化特性。其烷基化過程發(fā)生在雙分子親核取代反應(yīng)(SN2)中，3-BrPA不可逆地與目標(biāo)化合物的親核基團共價結(jié)合，從而抑制目標(biāo)化合物的活性，例如：GAPDH和HK等[18]。3-BrPA與乳酸、丙酮酸結(jié)構(gòu)類似，腫瘤細胞中上調(diào)的MCT1可以介導(dǎo)3-BrPA進入細胞內(nèi)發(fā)揮作用[19]。3-BrPA通過與目標(biāo)蛋白半胱氨酸(Cys)中的巰基共價結(jié)合而發(fā)生反應(yīng)，以達到修飾或滅活蛋白質(zhì)的作用[20]。3-BrPA同時抑制腫瘤糖酵解和線粒體OXPHOS，從而導(dǎo)致細胞內(nèi)ATP的大量消耗，從而殺死癌細胞[21]。還有研究表明，3-BrPA可以通過調(diào)節(jié)HIF-1α的表達，從而使GLUT-1表達下降，減少腫瘤細胞對葡萄糖攝取，從而阻礙腫瘤細胞的營養(yǎng)攝取[22-23]。

大量研究證實，3-BrPA能選擇性抑制糖酵解途徑中的關(guān)鍵酶GAPDH和HK2，從而使腫瘤細胞的能量明顯減少，氧化還原失衡，最終導(dǎo)致癌細胞死亡[13,24]。同時，3-BrPA還可以抑制線粒體OXPHOS，從而導(dǎo)致ATP產(chǎn)量進一步下降，包括抑制丙酮酸脫氫酶(PDH)，線粒體呼吸鏈的復(fù)合物Ⅱ(SDH)，異檸檬酸脫氫酶(IDH)和α-酮戊二酸脫氫酶(αKD)[21,25]。此外，3-BrPA也能抑制谷氨酰胺分解，進而影響腫瘤生物合成所需基礎(chǔ)物質(zhì)的補充[25]。

有研究報道，3-BrPA還可以通過增加腫瘤細胞內(nèi)的活性氧(ROS)，使細胞DNA損傷[20]。在3-BrPA處理的細胞中，還發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)GSH濃度顯著降低[26]，而GSH是癌細胞免受氧化應(yīng)激(例如ROS)損傷的主要保護因子。 有研究發(fā)現(xiàn)，3-BrPA在酸性腫瘤微環(huán)境的半衰期更長且更加穩(wěn)定，而在中性和堿性條件下易轉(zhuǎn)化為3-羥基丙酮酸鹽(3-hydroxypyruvate，3-HP)，因此，3-BrPA在癌細胞中能產(chǎn)生更明顯的細胞毒性，而對正常組織不會產(chǎn)生嚴(yán)重的器官毒性[7]。此外，3-BrPA的作用導(dǎo)致腫瘤細胞內(nèi)ATP缺乏，使細胞外排泵不能完全運行，進而使化療藥物能長時間停留在細胞內(nèi)，從而持續(xù)發(fā)揮作用[27]。

盡管3-BrPA在腫瘤治療方面顯示出巨大的優(yōu)勢，但是游離的3-BrPA在實際應(yīng)用中仍會遇到一些不可避免的障礙：(1)在生理溫度和pH值下，3-BrPA的半衰期僅為77 min，且3-BrPA不夠穩(wěn)定，可降解為3-HP[28]；(2)3-BrPA可以與GSH結(jié)合，從而降低了3-BrPA的抗癌效果[29]；(3)3-BrPA在富含谷胱甘肽的腫瘤中表現(xiàn)出耐藥性，而無法發(fā)揮選擇性靶向作用[30]；(4)由于滲透性和保留效果增強的現(xiàn)象，3-BrPA不能在腫瘤組織中持續(xù)存在[31]；(5)隨著3-BrPA劑量的增加，其也會表現(xiàn)出肝毒性與腎毒性[32]；(6)此外，3-BrPA也無法透過血腦屏障，因此目前難以用于神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的治療[33]。

目前，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展和進步,各種納米材料不斷涌現(xiàn)，這些納米顆粒具有很強的穿透力，能穿過血管壁，直達靶區(qū)細胞，使超聲分子顯像與靶向治療可以拓展到血管外領(lǐng)域(Extravascular)。利用最新的成像技術(shù)將藥物直接送入腫瘤或腫瘤附近的動脈內(nèi)，可以解決部分游離的3-BrPA用于腫瘤治療時出現(xiàn)的問題。其中晶片、脂質(zhì)體納米顆粒、氣霧劑和偶聯(lián)物制劑等已在動物模型中顯示出良好的抗腫瘤效果，并且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的副作用。因此，將3-BrPA與納米材料結(jié)合，是目前對游離3-BrPA的一個重大改進，可以將3-BrPA有效地傳遞到體內(nèi)的腫瘤部位。

3 3-BrPA與納米材料聯(lián)合應(yīng)用的優(yōu)勢

CHAPIRO等[34]率先將3-BrPA與納米級別材料相結(jié)合，他們使用β-環(huán)糊精(β-CD)作為分子載體，將3-BrPA包封于β-CD中，通過核磁共振波譜證實了β-CD-3-BrPA復(fù)合物的存在，與游離的3-BrPA相比，β-CD-3-BrPA的毒性更低且更穩(wěn)定。接著，他們在胰腺癌的原位異種移植小鼠模型中，研究了β-CD-3-BrPA和3-BrPA全身給藥的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與游離3-BrPA相比，微囊化制劑對荷瘤小鼠的器官毒性和組織損傷更小。

在2015年WICKS等[33]將3-BrPA加入可生物降解的pCPP：SA晶片中，合成了可生物降解的3-BrPA聚合物晶片，隨后他們建立了高級別膠質(zhì)瘤的嚙齒同種異體移植模型，并評估了顱內(nèi)3-BrPA晶片作為單一治療及與替莫唑胺(TMZ)和放射治療(XRT)聯(lián)合治療的療效。結(jié)果顯示，腦內(nèi)注射3-BrPA聚合物是安全的，且可顯著提高腦膠質(zhì)瘤動物模型的存活率，同時沒有表現(xiàn)出明顯的神經(jīng)或全身毒性。

脂質(zhì)體是迄今為止研究最廣泛的基于納米技術(shù)的藥物傳遞系統(tǒng)，其可以在腫瘤部位優(yōu)先積聚，使藥物濃度更高；并且還能改善藥物的生物分布和藥代動力學(xué)特征，提高抗腫瘤藥物的治療效果?；谥|(zhì)體藥物運輸?shù)膬?yōu)勢，GANDHAM等[35]為了進一步提高腫瘤靶向性，他們用表皮生長因子受體靶向的脂質(zhì)體制劑包裹3-BrPA，并使用共聚焦顯微鏡評估人類卵巢腺癌(SKOV-3)三維球體中3-BrPA脂質(zhì)體制劑的滲透性和細胞攝取情況。結(jié)果顯示，與游離的3-BrPA溶液相比，3-BrPA脂質(zhì)體制劑具有更好的靶向性，且在SKOV-3三維球體中具有更好的HK2抑制作用和細胞毒性作用。

ZHANG等[36]將3-BrPA包裹在納米顆粒中，并將腫瘤靶向五肽(Cys-Arg-Glu-Lys-Ala，CREKA)共價偶聯(lián)到其表面，成功制備出納米制劑(T-Lipo-3BP)。在全身給藥后有效靶向腫瘤血管，并釋放3-BrPA，進而選擇性地殺死腫瘤細胞。與游離的3-BrPA不同，這種方法不僅抑制了腫瘤的生長，而且沒有明顯副作用。在體內(nèi)動物模型中，3-BrPA納米顆粒在靜脈輸注后顯著抑制了腫瘤的生長，并且沒有在動物身上觀察到嚴(yán)重的不良反應(yīng)，尤其是肝毒性。因此進一步證實了將3-BrPA與納米材料結(jié)合可以有效改善3-BrPA的腫瘤靶向性。

總的來說，通過將3-BrPA與納米材料結(jié)合，可以改善3-BrPA的不穩(wěn)定性，并且能將3-BrPA有效且安全地遞送至體內(nèi)腫瘤部位，提高了3-BrPA的靶向性，同時也增加了3-BrPA的生物安全性。基于納米技術(shù)藥物輸送的優(yōu)勢，這些新穎的化學(xué)治療策略改善了游離3-BrPA的部分缺陷，為3-BrPA用于臨床腫瘤治療提供了新的思路。

4 展 望

隨著對癌癥代謝的逐漸了解，近年來，抑制腫瘤糖酵解和線粒體OXPHOS已經(jīng)成為癌癥研究和藥物發(fā)現(xiàn)的焦點。3-BrPA作為一種小分子烷基化試劑，可以通過巰基的共價修飾快速滅活許多細胞靶標(biāo)，特別是靶蛋白Cys殘基中的巰基。目前普遍接受的觀點是，3-BrPA通過聯(lián)合抑制糖酵解/線粒體OXPHOS，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激,減少腫瘤細胞中ATP的產(chǎn)生，從而抑制腫瘤血管生成，侵襲，轉(zhuǎn)移。盡管在許多動物模型中，3-BrPA顯示出良好的抑制了腫瘤的生長能力，并且沒有嚴(yán)重的全身毒性和器官損傷，但在臨床情況下，靜脈內(nèi)注入游離3-BrPA依舊有許多缺陷。

神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤能否有效化療的關(guān)鍵，是化療藥物是否能通過血腦屏障。盡管3-BrPA在體外對膠質(zhì)瘤細胞和侵襲性膠質(zhì)母細胞瘤細胞有殺傷作用，并且在沒有血腦屏障的異種移植動物模型中也被證明是有效的。但是，到目前為止，還沒有研究或報告證明游離的3-BrPA對腦內(nèi)植入實驗性膠質(zhì)瘤(原位腫瘤模型)有效。因為游離3-BrPA不能穿過血腦屏障，所以并不適合神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的治療。

為解決這一問題，目前已有部分實驗將3-BrPA與納米材料結(jié)合用于腫瘤治療的研究，并且在動物模型中已經(jīng)實現(xiàn)了較好的腫瘤特異性遞送，克服了游離3-BrPA的部分缺陷，同時也顯示出更好的生物安全性。但是尚沒有3-BrPA與納米超聲造影劑結(jié)合用于神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的研究。因此，將3-BrPA與納米超聲造影劑結(jié)合，有望克服臨床神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤中的許多障礙。3-BrPA和納米材料結(jié)合殺死腫瘤細胞的相關(guān)機制仍需要進一步的闡明，同時，也需要更多的研究來進一步探討3-BrPA與納米材料結(jié)合應(yīng)用于腫瘤治療的優(yōu)勢與前景。