放射性分子影像引導的活體生物正交剪切系統(tǒng)揭示細胞焦亡的抗腫瘤免疫功能

尹航

清華大學藥學院，清華-北大生命科學聯(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，在動物模型上顯著抑制腫瘤生長。

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)機制及調(diào)控網(wǎng)絡之間的關(guān)系錯綜復雜，研究難度很大1。事實上，實現(xiàn)腫瘤特異的蛋白功能調(diào)控，是對目標蛋白在腫瘤中進行表型-功能-機理研究的有力工具和必要條件，對生命科學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和金屬催化反應，已經(jīng)在體外實現(xiàn)細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，目前仍鮮有報道2,4。

為解決這一難題，北京大學劉志博研究組與北京生命科學研究所邵峰研究組一起，通過發(fā)展新型生物正交反應，賦予18F-硼氨酸腫瘤探針激活功能，實現(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)細胞及動物實驗證實，硼胺酸經(jīng)特定氨基酸轉(zhuǎn)運載體進入細胞，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可直接用于硅烷的脫除反應，進而賦予18F-硼氨酸探針激活的功能(Probing-to-Perturbing)，并在細胞以及活體水平上構(gòu)建了硼氨酸介導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及二級反應的物理化學特性，進而實現(xiàn)了腫瘤特異的定點藥物釋放。

該系統(tǒng)具有普適性，但對于需要在腫瘤細胞內(nèi)選擇性釋放的蛋白更具優(yōu)勢，而 Gasdermin蛋白就是一個范例。邵峰實驗室近年研究發(fā)現(xiàn)Gasdermin家族蛋白是細胞焦亡的執(zhí)行分子9。Gasdermin蛋白在細胞內(nèi)被激活后，其 N端結(jié)構(gòu)域在細胞膜上寡聚成孔，最終導致細胞裂解性死亡，誘導強烈的炎癥反應9。有證據(jù)顯示，正常組織上發(fā)生細胞焦亡將會帶來嚴重的副作用10。研究人員在動物模型上系統(tǒng)評估了放射性分子影像導航的“雙靶向”腫瘤細胞焦亡，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，發(fā)現(xiàn)低于 15%腫瘤細胞焦亡足以清除整個4T1乳腺腫瘤，且腫瘤細胞焦亡可使腫瘤對免疫治療更敏感。由此，該“雙靶向”剪切系統(tǒng)在國際上首次揭示了細胞焦亡的抗腫瘤免疫功能，并證實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。利用這個新穎的生物正交化學，該研究揭示少部分的腫瘤細胞發(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，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。