金 剛,黨建章,張麗君,金元寶,欒崇林,代建國
(深圳職業(yè)技術(shù)學院 應用化學與生物技術(shù)學院,廣東 深圳 518055)
惡性腫瘤(癌癥)是尚未被攻克的重大疾病之一,嚴重威脅人類健康.2008年全球癌癥發(fā)病人數(shù)和死亡人數(shù)分別為1266萬和756萬,估計到2015年將有1500萬新發(fā)病例.根據(jù)我國41個腫瘤登記地區(qū)惡性腫瘤發(fā)病和死亡數(shù)據(jù)[1],估算2008年全國腫瘤發(fā)病人數(shù)約為366萬,腫瘤患者死亡人數(shù)約224萬.美國2008年共新診出近140萬腫瘤患者,有56.6萬人死于腫瘤[2].各大制藥和生物技術(shù)公司對抗腫瘤藥物研究與開發(fā)高度重視.雖然已經(jīng)出現(xiàn)了年銷售額高達數(shù)十億美元的單個藥物(例如,甲磺酸伊馬替尼2009年在美國的銷售額已達到近11億美元,全球銷售額則超過39.5億美元.預計到2014年,甲磺酸伊馬替尼的全球銷售額可望超過50億美元[2]),臨床對能有效改善各種類型腫瘤治療結(jié)果的新藥需求巨大.
目前臨床上使用的大多數(shù)抗腫瘤藥物屬于烷化劑、抗代謝劑等,它們存在2個嚴重問題:一是嚴重毀損正常細胞和機體免疫系統(tǒng),具有極強的毒副作用;二是腫瘤細胞的抗藥系統(tǒng)能夠把這些藥物排出細胞外,從而導致藥效不能發(fā)揮.顯然,研發(fā)低毒甚至無毒的、特異殺傷腫瘤細胞的新藥,才是抗腫瘤藥物的終極目標.
在尋找抗腫瘤新藥的過程中,動物的天然免疫肽及其人工合成的肽類似物近二十年來大受關(guān)注,主要是由于這些肽具有新穎的作用機制,較少引起腫瘤細胞耐藥性,對正常細胞的毒性較低[3].具有抗腫瘤活性的天然免疫肽雖然結(jié)構(gòu)多樣,但有一些共同的特征,如:分子相對較小(一般少于50個氨基酸殘基),在生理條件下帶正電荷(具有多個精氨酸和賴氨酸,有時也有組氨酸),疏水氨基酸較多(一般占50%)[4,5].具有這些特征的肽就是陽離子兩親性肽(cationic amphiphilic peptides(CAP)),占抗腫瘤肽的絕大多數(shù).
根據(jù)抗腫瘤活性譜,CAP可分為2大類[6]:第一類肽對腫瘤細胞具有很強抑制作用,而對正常細胞沒有損傷作用.包括來自昆蟲的cecropin和蛙皮的magainin;第二類肽對腫瘤細胞和非腫瘤細胞都有毒性,包括蜂毒肽melittin,馬蹄蟹的鱟素tachyplesin I、II,人嗜中性粒細胞防御素,人的LL-37,昆蟲防御素等(見表1).
CAP因具有分子質(zhì)量不大、與腫瘤細胞膜特異結(jié)合、提高人體免疫應答、抑制實體瘤微血管形成、從而抑制腫瘤生長和轉(zhuǎn)移等特點,已成為腫瘤藥物研究的一個新熱點[9].例如,重組靶向抗腫瘤肽Citrostatin同時具有抑制腫瘤新生血管的形成和直接殺傷腫瘤細胞的雙重活性[10];魚精蛋白富含精氨酸的片段(VSRRRRRRGGRRRR)是較好的靶向腫瘤細胞的肽,與siRNA結(jié)合后可以靶向肝癌細胞[11];利用噬菌體展示技術(shù)篩選到一個專一性靶向膠質(zhì)瘤細 U87-MG的 9肽CPKHPLGC[12].較低濃度(1.5–6 μm)的BMAP-27 和 BMAP-28對多種白血病細胞系具有明顯的殺滅作用,而對正常細胞不抑制.只有在較高濃度(≥30 μm)下,兩者才會對紅血球和嗜中性粒細胞有裂解作用[3].Cecropin A和B能夠裂解多種腫瘤細胞,而在相同濃度下,對正常細胞沒有毒副作用.Cecropin B 可以抑殺結(jié)腸腺癌、乳腺癌和卵巢癌細胞[13].Magainin2在較低濃度下對白血病和實體瘤細胞系具有明顯的抑制作用,而對正常細胞無影響[3].
臨床前和臨床研究均已顯示,酪絲亮肽具有顯著的抗肝細胞癌作用,酪絲纈肽能夠明顯抑制非小細胞肺癌等多種腫瘤細胞[14].藥物劑量低至80μg·kg1·d1時,酪絲亮肽均即顯著抑制人肝癌BEL-7402細胞裸鼠移植瘤的生長[15].利用高轉(zhuǎn)移性人肝細胞癌裸鼠移植瘤模型,發(fā)現(xiàn)酪絲亮肽可抑制肝細胞癌的腹膜、腹壁轉(zhuǎn)移,以及肝內(nèi)侵襲和肺轉(zhuǎn)移[16].這些進展為臨床研究奠定了基礎(chǔ).

表1 一些具有抗腫瘤活性的天然CAP[3,7-8]
大多數(shù)CAP選擇性地破壞腫瘤細胞膜,一些CAP也有胞內(nèi)靶標,還有一些CAP通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)來發(fā)揮抗腫瘤作用.少數(shù)CAP表現(xiàn)出多種作用方式,例如鱟素.
鱟素(本文指Tachyplesin I)是1988年Nakamura等[17]從海洋節(jié)肢動物——中國鱟(Tachypleus tridendatus,我國南方沿海有分布)血細胞得到的一種含有17個氨基酸殘基的多肽(KWCFRVCYRGICYRRCR),分子量2269,pI 9.93,在人體生理條件下呈堿性.鱟素通過分子內(nèi)兩個二硫鍵使其空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為2個反向的β-片層[18],這種結(jié)構(gòu)允許鱟素的全部六個堿性氨基酸殘基(Arg,Lys)暴露在肽的表面,二硫鍵使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,還能抵抗水解.大量實驗表明,鱟素能夠有效抑殺細菌、真菌及病毒,抑制腫瘤細胞增殖和誘導腫瘤細胞分化.
鱟素毒殺腫瘤細胞的方式很獨特.在過度表達透明質(zhì)素的人前列腺癌細胞TSU,鱟素結(jié)合透明質(zhì)素,同時也與人血清補體成分C1q 結(jié)合,激活經(jīng)典的補體途徑,導致補體介導的溶解腫瘤細胞作用[19].鱟素結(jié)合C1q的活性依賴于肽的二級結(jié)構(gòu),變性的鱟素結(jié)合能力顯著降低.鱟素與透明質(zhì)素的相互作用保證了鱟素對腫瘤細胞的選擇性殺傷,因為許多腫瘤細胞表達透明質(zhì)素的量比正常細胞高得多[20].透明質(zhì)素也大量出現(xiàn)在涉及血管新生的內(nèi)皮細胞表面,血管新生是實體瘤生長的一個重要過程,提示鱟素可能破壞腫瘤血管,進而抑制腫瘤生長.離體條件下合成鱟素RGD-tachyplesin(RGD是粘液素的自導引域homing domain)與TSU和內(nèi)皮細胞表面的粘液素結(jié)合,導致細胞膜受到破壞,以及誘導caspase依賴的腫瘤細胞凋亡[21].RGD-鱟素也能抑制小鼠黑素瘤B16細胞生長.可能正是由于鱟素的正電荷允許內(nèi)化的RGD-tachyplesin結(jié)合并擾亂腫瘤細胞的帶負電荷的線粒體膜,由此啟動凋亡信號.
已有研究表明,帶正電荷的鱟素可以與細菌細胞膜上的脂質(zhì)相互作用,大幅增加細胞膜的通透性,使細胞內(nèi)鉀離子外流,導致細菌死亡[22].腫瘤細胞線粒體膜結(jié)構(gòu)與原核生物的類似,鱟素可能與線粒體膜相互作用造成線粒體通透性增加,細胞內(nèi)鉀離子進入線粒體,造成線粒體膜電位下降,并促使細胞色素C釋放到胞質(zhì),釋放到胞質(zhì)的細胞色素C結(jié)合Apaf-1(apoptotic protease activating factor-1)后啟動Caspase級聯(lián)反應:細胞色素C/Apaf-1復合物激活Caspase-9,后者再激活Caspase-3和其它下游Caspases[23].鱟素誘導HL-60細胞凋亡可能是多途徑的,至少與線粒體途徑和死亡受體途徑相關(guān)[24].鱟素具有抗HL-60/VCR細胞(由長春新堿VCR誘導白血病細胞系HL-60而成的多藥耐藥細胞)耐藥性并增加其對VCR敏感性的作用[25].
鱟素還能通過非細胞溶解機制抑制腫瘤細胞的生長.鱟素處理后,人肝癌細胞SMMC-7721和人胃腺癌細胞BGC-823增殖能力下降.SMMC-7721不僅增殖速度減低,還伴隨惡性形態(tài)的逆轉(zhuǎn),腫瘤相關(guān)抗原(如α-fetoprotein,proliferating cell nuclear antigen)表達下降,分化相關(guān)酶(如γ-glutamyltransferase,tyrosine aminotransferase)表達受到調(diào)制,癌基因c-myc表達降低,抑癌基因p21WAF1/CIP1表達增加[26].鱟素處理后BGC-823的形態(tài)和超微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,增殖受到抑制,癌基因c-myc,c-erbB-2 和 mtp53表達下降,抑癌基因p16表達增加[27].這些結(jié)果表明鱟素能夠影響一系列基因和蛋白的表達,從而誘導腫瘤細胞分化,逆轉(zhuǎn)惡性表型.
由于正常細胞與腫瘤細胞在細胞膜成分方面存在較大差異,導致一些CAP能夠選擇性毒殺腫瘤細胞,而不影響正常細胞.其主要原因是陽離子活性肽與腫瘤細胞膜的陰離子成分之間的靜電相互作用.腫瘤細胞膜含有較多的陰離子分子如磷脂酰絲氨酸、糖基化粘液素、唾液酸化神經(jīng)節(jié)苷脂和硫酸乙酰肝素等,一般帶有凈的負電荷.相比之下,正常細胞由于膜的主要成分是兩性離子磷脂如磷脂酰乙醇胺、卵磷脂和鞘磷脂,而呈現(xiàn)電中性.正常細胞膜的主要成分膽固醇可能保護細胞免受CAP的裂解作用,通過膜的流動性來阻礙肽插入膜.這種假說因觀察到細胞膜膽固醇含量增加,則CAP(如cecropin)插入膜的程度降低,而得到證實[28].而且,一些乳腺癌和前列腺癌細胞系若富含膽固醇的脂笩增多,則CAP對它們的抑殺效果下降[29].此外,腫瘤細胞的微突起microvilli數(shù)量多于正常細胞,因此腫瘤細胞有更大的表面積,故而有更多的機會被CAP作用[30].
由于陽離子活性肽主要破壞細胞膜,而避開了腫瘤細胞的抗藥機制這一令全世界藥物學家和臨床醫(yī)生頭疼的問題,從而引起極大的研究興趣.本項目組的研究發(fā)現(xiàn),鱟素可誘導U251細胞(含血清培養(yǎng)基,細胞平鋪)凋亡,阻滯細胞周期于S期(待發(fā)表資料).我們的初步觀察也表明,5mg/L的鱟素就顯示出對膠質(zhì)瘤細胞三維培養(yǎng)物(gliomasphere)生長有抑制作用,隨著濃度增加,抑制作用更加明顯.由于gliomasphere是由膠質(zhì)瘤干細胞形成的,其中含有膠質(zhì)瘤干細胞.因此我們提出假說:鱟素對膠質(zhì)瘤三維培養(yǎng)物的攻擊目標中,不僅有分化了的腫瘤細胞,而且還有腫瘤干細胞.該假說尚需進一步的驗證.
腫瘤干細胞(cancer stem cells,CSC)學說認為腫瘤組織中存在極少量腫瘤干細胞,具有無限的自我更新能力,能夠產(chǎn)生與上一代完全相同的子代細胞,并有多種分化潛能和高度增殖能力,產(chǎn)生不同表型的腫瘤細胞,使腫瘤在體內(nèi)不斷擴大,或形成新的腫瘤.現(xiàn)已從白血病和許多實體瘤分離鑒定出CSC,如腦膠質(zhì)瘤、肺癌、肝癌、前列腺癌、乳腺癌,等等.通過研究對染料Hoechst33342的排出反應和利用其它方法,一種被認為包含有 CSC的側(cè)群細胞也在許多不同組織來源的腫瘤細胞系鑒別和分離出來.越來越多的證據(jù)顯示,腫瘤的發(fā)生、進展、轉(zhuǎn)移、復發(fā)以及耐藥性等均與CSC關(guān)系密切.顯然,靶向殺傷CSC的新藥對于治療腫瘤意義重大.
最近研究表明,從菊科植物小白菊提取的倍半萜烯內(nèi)酯parthenolide 能夠有針對性地殺傷引發(fā)急性和慢性髓性白血病的腫瘤干細胞,從根本上遏制疾病的發(fā)生[31].白喉毒素-白介素3融合蛋白對白血病原始祖細胞具有殺傷毒性,而對正常造血祖細胞無害[32].許多腫瘤干細胞過度表達多藥抗性(multidrug resistance)糖蛋白gp170,新進研究發(fā)現(xiàn),鹽霉素(Salinomycin,一種廣泛使用的聚醚類抗球蟲藥)能夠改變糖蛋白的構(gòu)象,抑制藥物外排,大大降低腫瘤干細胞的增值能力[33].這些研究對于開發(fā)直接作用于腫瘤干細胞的新藥具有重要意義.事實上,目前國際上許多實驗室正在緊鑼密鼓地開展靶向腫瘤干細胞新型抗腫瘤藥物研究與開發(fā).
因此,開發(fā)出靶向殺傷腫瘤干細胞的抗腫瘤肽意義重大,很有可能從根本上治愈腫瘤.該研究方向目前還沒有相關(guān)成果,值得我們高度重視.應用核糖體體外表達法和肺癌細胞株(NCI-H460)成功地從設(shè)計的肽庫中篩選出一組肽,并證實這些肽能抑制非小細胞肺癌細胞株(NCI-H460)生長,而對正常人體紅細胞影響不大[34].借鑒該思路,有望發(fā)展出一種簡便、有效的尋找靶向性強的抗癌多肽的方法,為開發(fā)出高效低毒的抗癌新藥奠定基礎(chǔ).
天然CAP的氨基酸都是L-氨基酸,易受到體內(nèi)蛋白酶降解,在血清中半衰期短,口服生物利用度不高.在不影響抗腫瘤活性的前提下,通過用D-型氨基酸部分或全部替換L-型氨基酸,或者摻入帶有特別側(cè)鏈的非天然氨基酸,有助于藥物肽抵抗蛋白酶降解.用magainin 2和其類似物MSI-238(全部是D-氨基酸)分別腹腔注射荷瘤鼠.結(jié)果表明,兩種肽對白血病細胞P388、肉瘤腹水細胞S180 ascites和自然發(fā)生的卵巢癌都有療效.但是MSI-238的活性比magainin 2高2%~10%[35].
血清成分如帶負電荷的白蛋白、高密度脂蛋白和低密度脂蛋白也會影響CAP的抗腫瘤能力.例如人防御素的抗腫瘤活性可被少量血清里的低密度脂蛋白滅活而喪失[36].克服藥代動力學弱點和降低毒性的另一個途徑是把編碼CAP的基因通過載體導入腫瘤細胞.例如在腫瘤細胞表達cecropin,可以抑制腫瘤生長,甚至完全殺死腫瘤[37].另一個策略是把CAP結(jié)合上歸巢肽(homing peptide).歸巢肽可自動到達體內(nèi)組織特異性位點,好比靶向輸運的火車頭[38].一些脈管系統(tǒng)的歸巢肽結(jié)合抗腫瘤藥物,促使抗腫瘤藥物集中于靶組織,大大提高抗血管生成的效率,抑制腫瘤血管生成,同時降低了藥物對其它器官的毒作用.把穿膜肽 pVec(LLIILRRRIRKQAHAHSK)結(jié)合歸巢肽(氨基酸序列CREKA)和DNA烷化劑Cbl(chorambucil),得到新的嵌合分子Cbl-CREKA-pVec,它對人乳腺癌細胞MDA-MB-231的抑殺率達到40%~100%.而Cbl,CREKA或pVec 單獨給藥都沒有抑制效果,提示 CREKA-pVec 是較好的運載體,使DNA烷化劑靶向進入腫瘤細胞內(nèi)[39].
此外,CAP糖基化、氟化氨基酸、CAP納米化、用脂質(zhì)體包裹等,都有可能減低CAP的毒性,提高CAP在血清中的穩(wěn)定性.
抗腫瘤CAP的膜裂解作用機制能夠產(chǎn)生額外的或者協(xié)同效應,當與傳統(tǒng)的化療藥物結(jié)合使用時.例如,當Cecropin A和B同時與傳統(tǒng)化療藥物5-氟尿嘧啶和cytarabine 在抗急性成淋巴性白血病具有協(xié)同增強效果[40].類似地,OLP-1(Ac-ILKKWPWWPWRRK)和其一種含有2個D-氨基酸的非對映異構(gòu)體D-異亮氨酸(i)和D-賴氨酸(k),即 OLP-4(Ac-iLKKWPWWPWRRk)增強阿霉素的抗腫瘤活性[41].Magainin類似物與化療藥物順鉑、阿霉素和etoposide聯(lián)合使用時,對肺癌細胞的殺傷具有更強的效果[42].抗腫瘤肽的活性不受腫瘤細胞的多藥耐藥基因(mdr1)影響.
獲得CAP對腫瘤細胞的作用機制精準信息也是未來研究重點之一.為什么有些CAP對腫瘤細胞有特異靶向性,而有些卻沒有?這個問題可能涉及肽鏈結(jié)構(gòu)、分子動力學、分子拓撲學、腫瘤細胞膜的分子成分變化等眾多前沿課題.無疑,需要用到原子力顯微鏡、固態(tài)核磁共振等先進儀器設(shè)備.探明CAP與腫瘤細胞膜作用過程中分子結(jié)構(gòu)變化和納米水平的細胞膜結(jié)構(gòu)變化,對于設(shè)計靶向性強的新藥至關(guān)重要.另外,CAP對人免疫系統(tǒng)來說是外來物,是否誘發(fā)免疫反應,產(chǎn)生中和抗體?或者產(chǎn)生更危害的變態(tài)反應?對于認識CAP的毒理機制也是不可缺少的內(nèi)容.
當前的腫瘤化療藥物毒副作用巨大,易引發(fā)腫瘤對藥物的抵抗.因此,開發(fā)出高靶向性、低毒性和不引起腫瘤對藥物抵抗的新藥迫在眉睫.一些CAP通過化學改構(gòu)和獲得新劑型后具有這種新藥的潛在特質(zhì).人工合成的肽類似物,聯(lián)合新穎的藥物釋放系統(tǒng),在克服上述障礙方面顯示出良好的前景.尤其重要的是,CAP能夠繞過腫瘤細胞的耐藥機制,將給抗腫瘤藥物開發(fā)提供新的動力.
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