陈学思&肖春生AM：仿宿主防御肽结构的合成聚多肽实现无药物抗癌策略

【研究背景】

化疗是治疗恶性肿瘤最重要和不可缺少的方法之一。然而目前使用的抗肿瘤药物大多存在严重的副作用和易产生耐药性等缺点。为了克服这些局限性，提高抗肿瘤药物的治疗效果，基于聚合物的抗肿瘤治疗策略被广泛开发，如设计聚合物-药物偶联物和药物负载的聚合物药物递送系统等。在这些应用中，一般要求聚合物具有“生物惰性”，即良好的生物相容性和生物可降解性能。有别于这些“生物惰性”材料，构建具有本征广谱抗肿瘤活性的聚合物的通用策略还尚未报道。宿主防御肽（HDPs）广泛存在于所有多细胞生物中，在非特异性防御中起着重要作用。虽然早期的研究主要集中在HDPs的抗菌/真菌活性上，但近年来的研究也揭示了HDPs潜在的抗癌活性。这是由于癌细胞具有独特的膜结构特性，使得阳离子HDPs有望通过“膜溶解”机制选择性地结合并裂解肿瘤细胞。近几十年来，人们一直致力于开发用于抗菌领域的仿HDPs结构的聚合物，而用于抗肿瘤的仿HDPs结构的聚合物开发却相对滞后。

【成果简介】

近日，中国科学院长春应化所陈学思院士和肖春生副研究员团队报道一种由仿HDPs结构的合成聚多肽实现的无药物抗癌策略。这种聚多肽在12种肿瘤细胞系中表现出广谱的抗癌活性，其中包括耐药和高转移性肿瘤细胞。进一步研究表明，这种阳离子抗癌多肽（ACPP）可以通过膜溶解机制在几分钟内直接诱导癌细胞快速坏死。此外，为了实现ACPP的体内应用，还制备了一种pH敏感的两性离子ACPP衍生物（DA-ACPP）。DA-ACPP在中性生理条件下表现出可忽略的溶血作用，在弱酸性肿瘤微环境中可响应性脱去阴离子修饰基团还原成阳离子ACPP，从而选择性杀伤癌细胞。最终，DA-ACPP在4T1原位乳腺肿瘤模型和B16-F10黑色素瘤肺转移模型中均显示出有效的肿瘤生长抑制作用。该文章近日以题为“Antineoplastic Drug-Free Anticancer Strategy Enabled by Host Defense Peptides- Mimicking Synthetic Polypeptides”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

流程图、ACPP诱导癌细胞坏死的“四步法”膜溶解机制

图一、DA-ACPPs的表征

（a）在PBS7.4条件下，ACPP和DA-ACPP在不同浓度下的溶血性。

（b）在酸性肿瘤环境中，通过酸诱导2,3-二甲基马来酰胺（MAA）键断裂，DA-ACPP向ACPP转化的反应过程示意图。

（c）pH 6.8或pH 7.4时DA-ACPP（0.1 mg mL^-1）的Zeta电位变化。

（d-e）4T1细胞和B16-F10细胞在pH 6.8或pH 7.4中与不同浓度DA-ACPP培养24小时后的存活率。

（f）在37°C下，用250µg mL⁻¹ DA-ACPP处理12小时或24小时后，在pH 6.8或pH 7.4下处理B16-F10细胞的扫描电子显微镜图像。

图二、原位瘤模型中评估DA-ACPPs的体内抗肿瘤活性

（a）在0、2、4、8和12天分别瘤内注射PBS、SA-ACPP（30 mg kg^-1）和DA-ACPP（5、15或30 mg kg^-1）后4T1荷瘤BALB/c小鼠的肿瘤生长曲线。

（b）距第一次治疗第17天后记录肿瘤图像。

（c）17天后各治疗组平均肿瘤质量。

（d）BALB/c小鼠治疗期间体重的变化。

（e）各组小鼠肿瘤切片切除后H&E染色。

图三、黑色素瘤肺转移模型中评估DA-ACPPs的体内抗肿瘤活性

（a）实验过程示意图。

（b）治疗结束时肺部图像。

（c）治疗结束时各组肺的质量。

（d）在低（200×，比例尺：100µm）和高（400×，比例尺：50µm）放大倍数下观察不同实验组小鼠肺组织的H&E及增殖细胞核抗原染色。

【结论展望】

综上所述，通过NCA单体的开环聚合和聚合后“硫醇-烯”点击反应改性，可以简便地制备仿HDPs结构的阳离子合成聚多肽。这种阳离子聚多肽可称为ACPP，在多种肿瘤细胞（包括耐药性和高转移性癌细胞）中显示出广谱的抗肿瘤活性。值得注意的是，与天然HDPs相比，ACPP具有更好的肿瘤选择性和蛋白酶稳定性。机理研究表明，阳离子ACPP主要通过膜溶解在几分钟内引起癌细胞迅速坏死。这种机制类似于HDPs介导的微生物杀灭过程。为了进一步提高肿瘤靶向性，使阳离子ACPP在体内适用，用2,3-二甲基马来酸酐对氨基进行了部分修饰，合成了ACPP的两性离子衍生物（DA-ACPP）。由于阳离子电荷降低和两性离子结构的形成，所得DA-ACPP具有显著的生物相容性和生物安全性。更重要的是，两性离子DA-ACPP对pH敏感，可以很容易地在弱酸性肿瘤组织中重新激活成为阳离子ACPP，迅速恢复抗癌活性。最后，这种肿瘤微环境可激活的聚多肽DA-ACPP能有效抑制4T1原位乳腺肿瘤和B16-F10黑色素瘤肺转移模型中的肿瘤生长，且无明显副作用。综上所述，这些发现表明该合成的聚多肽是一种有效的抗癌材料，这可能为具有抗肿瘤活性高分子材料的开发和在未来临床癌症治疗中的应用提供新的思路。

文献链接：Antineoplastic Drug‐Free Anticancer Strategy Enabled by Host-Defense-Peptides-Mimicking Synthetic Polypeptides (Adv. Mater. 2020, 2001108)

课题组简介：

中科院长春应化所陈学思研究员：中国科学院院士，课题组长，近年来主要从事生物医用高分子材料、组织工程和再生医学、药物缓控释载体材料、聚氨基酸水凝胶、聚乳酸产业化等方向的研究。在SCI学术期刊上发表论文700余篇；获授权中国发明专利150余项。现任中国科学院长春应用化学研究所学术委员会副主任，中国科学院生态环境高分子材料重点实验室学术委员会副主任，2016年入选国际生物材料与工程联合会会士，2020年当选2019年中国科学年度新闻人物。担任美国化学会期刊《ACS Applied Biomaterials Science & Engineering》副主编，担任国际学术期刊《Journal of Controlled Release》，《Advanced Healthcare Materials》，《Acta Biomaterialia》，《Biomacromolecules》等编委。

中科院长春应化所肖春生副研究员：主要从事高分子纳米药物设计、制备及其在肿瘤和中枢神经损伤诊断、治疗中的应用；新型生物可降解高分子/水凝胶的设计和合成方法学；MALDI-MS分析新基质等方向的研究。以第一或通讯作者身份在Adv. Mater.，Biomaterials, J. Controlled Release, Macromolecules等国际主流期刊上发表论文40余篇；以第一发明人身份申请国家发明专利13件，已授权10件。2017年入选中国科学院青年创新促进会会员。

本文由大兵哥供稿。

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