尹航

清華大學(xué)藥學(xué)院，清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心，北京 100082

(a) PET-CT分子影像在活體內(nèi)示蹤“雙靶向”生物正交剪切系統(tǒng)。(b)硼氨酸介導(dǎo)的生物正交剪切系統(tǒng)可在腫瘤內(nèi)選擇性釋放Gasdermin焦亡蛋白，在動(dòng)物模型上顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)。

功能蛋白調(diào)控是癌癥治療的關(guān)鍵，但其作用位置、引發(fā)機(jī)制及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，研究難度很大1。事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)腫瘤特異的蛋白功能調(diào)控，是對(duì)目標(biāo)蛋白在腫瘤中進(jìn)行表型-功能-機(jī)理研究的有力工具和必要條件，對(duì)生命科學(xué)研究和臨床藥物開發(fā)都很有意義。近年來，研究人員借助光切斷化學(xué)和金屬催化反應(yīng)，已經(jīng)在體外實(shí)現(xiàn)細(xì)胞選擇性的蛋白功能調(diào)控1,2。但是，受限于金屬催化劑的生物毒性以及光在組織中有限的穿透力，這些策略在活體內(nèi)的應(yīng)用還非常有限3。在活體內(nèi)的，特別是腫瘤特異的蛋白功能調(diào)控，目前仍鮮有報(bào)道2,4。

為解決這一難題，北京大學(xué)劉志博研究組與北京生命科學(xué)研究所邵峰研究組一起，通過發(fā)展新型生物正交反應(yīng)，賦予18F-硼氨酸腫瘤探針激活功能，實(shí)現(xiàn)腫瘤特異的蛋白功能調(diào)控5。在前期工作中，劉志博課題組發(fā)展了基于三氟化硼的 F-18放射性標(biāo)記策略6,7，并以此為基礎(chǔ)將氨基酸上的羧基(―COO-)替換為三氟化硼(―BF3-)，得到了一類新的含硼氨基酸探針—硼胺酸8。經(jīng)細(xì)胞及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，硼胺酸經(jīng)特定氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體進(jìn)入細(xì)胞，在腫瘤內(nèi)有很高的特異性攝取。研究人員發(fā)現(xiàn)硼氨酸上的三氟化硼基團(tuán)可直接用于硅烷的脫除反應(yīng)，進(jìn)而賦予18F-硼氨酸探針激活的功能(Probing-to-Perturbing)，并在細(xì)胞以及活體水平上構(gòu)建了硼氨酸介導(dǎo)的生物正交剪切系統(tǒng)。結(jié)合PET分子影像，研究人員發(fā)現(xiàn)18F-硼氨酸主要在腫瘤和腎臟富集，而Zr-89標(biāo)記的蛋白載體和抗體前藥主要在腫瘤和肝臟富集，兩者體內(nèi)分布只在腫瘤處重合(圖a)，基于前述脫硅剪切反應(yīng)及二級(jí)反應(yīng)的物理化學(xué)特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了腫瘤特異的定點(diǎn)藥物釋放。

該系統(tǒng)具有普適性，但對(duì)于需要在腫瘤細(xì)胞內(nèi)選擇性釋放的蛋白更具優(yōu)勢(shì)，而 Gasdermin蛋白就是一個(gè)范例。邵峰實(shí)驗(yàn)室近年研究發(fā)現(xiàn)Gasdermin家族蛋白是細(xì)胞焦亡的執(zhí)行分子9。Gasdermin蛋白在細(xì)胞內(nèi)被激活后，其 N端結(jié)構(gòu)域在細(xì)胞膜上寡聚成孔，最終導(dǎo)致細(xì)胞裂解性死亡，誘導(dǎo)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)9。有證據(jù)顯示，正常組織上發(fā)生細(xì)胞焦亡將會(huì)帶來嚴(yán)重的副作用10。研究人員在動(dòng)物模型上系統(tǒng)評(píng)估了放射性分子影像導(dǎo)航的“雙靶向”腫瘤細(xì)胞焦亡，發(fā)現(xiàn)其有顯著的腫瘤抑制效果(圖 b)，且沒有引發(fā)可見的副作用。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)低于 15%腫瘤細(xì)胞焦亡足以清除整個(gè)4T1乳腺腫瘤，且腫瘤細(xì)胞焦亡可使腫瘤對(duì)免疫治療更敏感。由此，該“雙靶向”剪切系統(tǒng)在國(guó)際上首次揭示了細(xì)胞焦亡的抗腫瘤免疫功能，并證實(shí)其可與免疫治療抗體協(xié)同用于癌癥治療。

上述研究工作近期在Nature上在線發(fā)表5。該研究工作一方面展現(xiàn)了放射性分子影像導(dǎo)航的“雙靶向”生物正交剪切系統(tǒng)效率高、腫瘤靶向性好的優(yōu)勢(shì)。利用這個(gè)新穎的生物正交化學(xué)，該研究揭示少部分的腫瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡，就足以有效調(diào)節(jié)腫瘤免疫微環(huán)境，為腫瘤免疫治療藥物研發(fā)提供了新的思路。同時(shí)，該研究也展現(xiàn)了將分子探針改造為激活劑(Probing-to-Perturbing)這一設(shè)想在體內(nèi)可控釋放上的巨大潛力，為蛋白偶聯(lián)藥物等前藥及載藥體系的發(fā)展提供了新方向。