【人物与科研】湖南大学谭蔚泓院士团队：新型核酸适体药物偶联物胶束设计，改进肿瘤化学动力学治疗

导语

化学动力学疗法（CDT）是一种新型癌症治疗方式。相对于传统的化放疗方法，CDT能够特细异性地响应肿瘤微环境产生毒性自由基，诱导肿瘤细胞凋亡，因此，该方法受到科研人员的广泛关注。目前，研究人员们发展了大量的CDT疗法。本质上，这些方法主要依赖于经典的Fenton或Haber-Weiss反应，通过过渡金属将肿瘤组织内低毒性的H₂O₂及其类似物转化为高毒性的羟基自由基（•OH）等强氧化性的活性物质。然而，高效的Fenton或Haber-Weiss化学反应要求强酸环境（pH 2-4），而肿瘤弱酸环境使其难以被充分利用。此外，肿瘤内过氧化氢水平具有明显的差异性，并且随着反应的进行被逐渐消耗，导致产生的毒性自由基含量非常有限。更糟糕的是，癌细胞自身通过上调抗氧化防御机制以适应自由基引起的氧化损伤，使得这种疗法的有效性大大降低。如何通过巧妙的体系设计，高效发挥CDT疗法的优势，依然面临着巨大挑战。

近期，湖南大学谭蔚泓院士和刘艳岚教授所在团队在CDT研究领域取得了重要进展，提出了“生物正交化学与前药联合”的CDT疗法新概念。研究人员设计合成了一种新型的核酸适体-药物偶联物（ApDC）：适体-前药偶联物（ApPdC）胶束。值得注意的是，与传统CDT疗法不同，该方法不依赖于强酸环境及H₂O₂含量，能够特异性识别癌细胞，并在癌细胞内固有的谷胱甘肽（GSH）激活下，触发一系列的生物正交反应，原位、自循环产生碳-中心自由基。同时，前药的激活能够显著降低癌细胞内GSH的含量，同时增加细胞内游离的二价铁含量，产生协同的CDT效应。该项工作为癌症靶向治疗的设计和自由基相关分子机制的研究提供新的见解。同时，通过改变核酸适体的序列，该设计有望制备出一系列靶向抗癌药物，用于多种恶性肿瘤的高效、选择性治疗（J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b10755 ）。

谭蔚泓院士团队简介

湖南大学分子科学与生物医学实验室 （MBL）于2010年正式成立，由中国科学院谭蔚泓院士任学术带头人，是一个跨院系的新型交叉学科研究机构。实验室以化学学科为基础，利用化学生物传感与计量学国家重点实验室的研究优势，结合自身在分子科学、材料科学、生物学和纳米技术等领域的研究优势，设计合成新的分子工具，用于分子医学的难点和前沿研究，力求为分子医学和转化医学的更深入发展提供一个革命性的科学研究和技术交流平台。

团队的主要研究方向有化学生物学、生命分析化学、功能材料与纳米科学、分子医学等。具体研究内容包括：发展化学生物传感新方法和新技术，设计和开发新型功能纳米材料和分子探针；开展分子医学的基础和应用研究，实现重大疾病相关生物分子的高灵敏检测及早期诊断；借助生物分析和功能纳米材料的方法和手段，整合分子生物学、基因组学和蛋白质组学的技术，搭建多学科交叉研究平台，寻找对恶性肿瘤的早期诊断、治疗及预后有指导意义的分子标志物和分子靶标；促进基础研究与临床应用的紧密结合，为转化医学和个体化医疗提供革命性的分子工具。

近些年来，团队在核酸适体以及基于核酸适体的生物分析化学和化学生物学研究领域取得突破性成绩。团队在国际上率先提出了核酸适体活细胞筛选的新概念，建立了以活细胞为靶标的核酸适体筛选方法，利用获得的分子探针实现了癌症等多种重大疾病细胞的特异性识别，为解决细胞分析化学缺乏分子探针的难题开辟了新途径；提出了系列核酸适体分析化学新原理：利用核酸适体发现了白血病等癌症的疾病相关蛋白，测定了这些蛋白的结构参数，建立了这些蛋白的定量分析和光学成像新方法，系统研究了核酸适体细胞识别的分子基础；探索了纳米生物学和分析化学交叉研究新方向：开发了DNA胶束、DNA水凝胶等生物纳米新材料，结合核酸分子工程构建了多种信号放大新策略，发展了基于核酸的新型靶向给药体系，为重大疾病诊疗提供了重要的分子工具和平台。

谭蔚泓院士简介

谭蔚泓，美国密西根大学物理化学博士，中国科学院物理化学硕士，湖南师范大学化学学士。现任中国科学院肿瘤与基础医学研究所所长，中国科学院大学附属肿瘤医院教授。兼任上海交通大学分子医学研究院院长，湖南大学化学化工学院、生物学院教授。谭蔚泓教授的主要研究方向是生物分析化学、化学生物学和分子医学。他在国际国内知名学术刊物上发表学术论文650余篇，H-index 136，引用近64,000多次。2014-2019连续六年入选汤森路透全球高被引研究人员名单。研究成果获2011年教育部自然科学一等奖，2012年美国化学会Florida奖，2014年国家自然科学二等奖，2018年美国化学会“光谱化学分析奖”，2018年何梁何利基金科学与技术奖，2019年匹兹堡分析化学成就奖，2019年生物分析化学杰出贡献奖。2005年当选美国AAAS Fellow，2015年当选中国科学院院士，2016年当选发展中国家科学院院士。

刘艳岚教授简介

刘艳岚，化学生物传感与计量学国家重点实验室，湖南大学化学化工学院教授， 分子科学与生物医学实验室，博士生导师。主要从事多功能成像探针的设计合成及在重大疾病如癌症及心脑血管疾病的活体成像及分子靶向干预研究。相关工作以第一作者及通讯作者身份发表在Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际权威期刊上。研究成果被Science Translational Medicine、NanoWerk等专题报道。文章总他引次数5000多次 。多篇文章入“ESI高被引文章”。

前沿科研成果

新型核酸适体药物偶联物胶束设计，改进肿瘤化学动力学治疗

图1. 生物正交ApPdC胶束在癌细胞中原位、放大产生毒性自由基示意图。

（来源 ：J. Am. Chem. Soc.）

首先，作者利用亚磷酰胺化学和DNA固相合成仪技术，在核酸适体5’端引入不同数量的“T”，并通过凝胶电泳分析和原子力显微镜（AFM）分析，证实了均匀且单分散的球形结构（e.g. Ap-6G-“T”平均尺寸为32.4 nm）的形成。动态光散射（DLS）和Z电位测定进一步表明，该类胶束在生理条件下是稳定的、带负电的，没有明显的聚集现象，且具有非常好的血清耐受性和核酸酶的稳定性。

图2. 前药“T”的合成示意图及其表征

（来源： J. Am. Chem. Soc.）

关于激活机制的研究，作者首先利用小分子与游离的Fe²⁺或Hemin进行反应，通过自由基捕捉实验和质谱分析，初步证明了前药分子可被Fe²⁺源激活并产生自由基。随后的细胞实验中，作者先考察了该类ApPdCs对HepG2细胞的靶向性，与非靶向胶束相比，ApPdCs胶束的细胞摄取量明显增加，从而产生更多的毒性自由基，对细胞有显著抗增值作用。随着前药“T”的数目增多，抗癌效果增强，同样条件下，细胞毒性从小分子的50 μM降低到4.79 μM（Ap-6G-H-2“T”），进一步证实了核酸适配体形成的胶束在靶向递送和提高生物利用度方面的重要性。

图3. 游离Fe²⁺或血红素（Fe²⁺）介导的前药碱“T”的激活机制

 （来源 ：J. Am. Chem. Soc.）

图4. ApPdCs胶束的抗肿瘤效果

（来源 ：J. Am. Chem. Soc.）

总结：作者提出了“生物正交化学与前药联合”的CDT疗法新概念。所设计的新型核酸适体-药物偶联物（ApDC）：适体-前药偶联物（ApPdC）胶束，成功用于靶向HepG2，并在不依赖强酸环境及H₂O₂含量的情况下循环放大产生自由基，并协同消耗谷胱甘肽（GSH），降低氧化应激。该类前药“碱基”可以以固相合成仪的方式定点、定量的引入到任何序列的核酸适配体中，因此有望制备出一系列靶向抗癌药物，用于多种恶性肿瘤的高效、选择性治疗。该工作“Molecular Self-assembly of Bioorthogonal Aptamer Prodrug Conjugate Micelles for Hydrogen Peroxide and pH-Independent Cancer Chemodynamic Therapy”为题发表于 J. Am. Chem. Soc.（2019, DOI: 10.1021/jacs.9b10755），第一作者为湖南大学玄文静博士和夏英豪同学。通讯作者为湖南大谭蔚泓院士和刘艳岚教授（论文作者：Wenjing Xuan, Yinghao Xia, Ting Li, Linlin Wang, Yanlan Liu, and Weihong Tan）。

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关于人物与科研

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