長春應化所JACS: 手性配合物在根除CSCs方面顯示出明顯的對映體選擇性

【引言】

腫瘤干細胞（CSCs）是腫瘤中一種具有自我更新能力并能產生異質性腫瘤細胞的細胞，它同癌癥復發、轉移及抗藥性等存在密切關系。傳統的治療方法，如化療和放療有等雖然可以效地消除大部分癌細胞，但由于特定的耐藥機制，無法消除CSCs。 存活的CSCs可以分化和再生新的腫瘤細胞，導致腫瘤復發和轉移。

為了提高患者的存活率，治療手段必須能夠保證消除癌細胞的整個群體，特別是CSC。 雖然許多針對多種激酶，某些細胞器和脆弱微環境的潛在抗CSC藥劑已被確定，但它們通常會引起嚴重的副作用。 因此，迫切需要尋找更有效的靶點來發現對正常體細胞影響很小的新型抗CSC化合物。

端粒已經引起了抗癌治療的高度重視，因為端粒的維持是癌細胞不朽所必需的。 端粒是染色體末端的不同核苷酸序列，其保護染色體結構完整性免于降解，非法重組和融合。研究顯示，端粒酶在CSCs和大多數類型的癌細胞中高表達，但在正常體細胞中不表達。有趣的是，已經證實CSC比端粒酶抑制劑更敏感]。因此，靶向端粒酶和端粒代表了一種有希望的抗癌治療策略，其能夠優先消耗CSCs而對正常細胞影響很小。

本文報道了手性配合物靶向端粒酶根除CSCs的相關研究。

【成果簡介】

近日，中國科學院長春應用化學研究所曲曉剛研究員（通訊作者）在Journal of the American Chemical Society上發表了題為“Metallo-supramolecular Complexes Enantioselectively Eradicate Cancer Stem Cells in Vivo”的研究論文。文中就目前根除腫瘤干細胞的困難，提出了一種利用手性配合物靶向端粒酶來根除CSCs的新方法。研究發現，靶向端粒G四鏈體的鋅指手性金屬蛋白的一個對映異構體[Ni₂L₃]⁴⁺-P，可以優先減少乳腺癌CSCs的生長。相反，它的對映體[Ni₂L₃]^{4 +}-M對兩個CSCs和癌細胞都沒有影響。進一步的研究表明，[Ni₂L₃]⁴⁺-P可以抑制CSC的性質，誘導乳腺癌細胞的凋亡。[Ni₂L₃]⁴⁺-P，而不是[Ni₂L₃]⁴⁺-M具有減少體內乳腺癌CSCs再生的能力。

【圖文導讀】

圖1：NiP，但不是NiM，抑制乳腺癌CSC中的端粒酶活性

（A）由Hoogsteen氫鍵連接的鳥嘌呤殘基的G四聯體；

（B）[Ni₂L₃] ⁴⁺陽離子的M-對映體和P-對映體的結構；

（C）選擇性識別人端粒G4 DNA的NiP的代表性圖示；

（D，F） 在MDA-MB-231和MCF-7微球體中由NiP介導的端粒酶活性的抑制；將微球暴露于不同濃度的NiP和NiM 7天，然后用等量蛋白質進行標準TRAP測定；

（E，G）端粒酶活性的量化作為沒有處理NiP和NiM的對照樣品的百分數。 結果顯示為平均值±SD。

圖2：NiP，但不是NiM，消除了乳腺癌CSC

（A）降低NiP在MDA-MB-231和MCF-7單層細胞中誘導的乳房CSC比例。用NiP或NiM（5.12μM）處理MDA-MB-231和MCF-7細胞，或用2'-O-MeRNA和TRF2ΔBΔM轉染3周，然后將5000個細胞在CSC培養基中培養7天以形成球形微球。微球形成是通過顯微鏡檢查確定的，比例尺=100μm；

（B，C）細胞培養液內微球的定量；

（D，E）乳腺癌CSCs連續傳代中NiP誘導的微球形成抑制。將MDA-MB-231和MCF-7細胞的二次微球與NiP或NiM一起溫育，并且每7天一次傳代培養3周。微球形成是通過顯微鏡檢查確定的，比例尺等于100μm；

（F，G）MDA-MB-231和MCF-7細胞在超低附著板或貼壁單層培養基中培養，并用NiP或NiM（5.12μM）處理21天。在指定的時間測定細胞活力，結果顯示為三個獨立實驗的平均值±SD。 ** P <0.01。

圖3： NiP誘導端粒DNA損傷和細胞凋亡

（A）合并的53BP1（綠色）/ TRF1（紅色）或γ-H2AX（綠色）/ TRF1（紅色）的代表性共焦圖像。 用NiP和NiM（5.12μM）處理MDA-MB-231微球體，或用2'-OMeRNA和TRF2ΔBΔM轉染2周，然后用針對53BP1（綠色）/ TRF1（紅色）或γ -H2AX（綠色）/ TRF1（紅色）和DAPI（藍色）。 比例尺等于5微米；

（B）在NiP或NiM（5.12μM）或2'-O-MeRNA和TRF2ΔBΔM轉染3的MCF-7和MDA-MB-231微球體中，通過Annexin V-FITC / PI雙染色檢測細胞凋亡周。

圖4： NiP誘導hTERT從細胞核轉移至細胞質并抑制乳房CSC性質

（A）用NiP和NiM（5.12μM）處理或用2'-O-MeRNA和TRF2ΔBΔM轉染的MDA-MB-231球形微球中的hTERT的亞細胞定位通過用針對hTERT的抗體染色來分析；

（B）用NiP和NiM處理2周的MDA-MB-231微球體中CSC標記物（Aldh1，Oct4，Lin28a，Klf4，Nanog和Bmi1）的表達的qRTPCR分析， ** P <0.01；

（C）通過流式細胞術測量在用NiP和NiM溫育的MDA-MB-231球微球體中的CD44 + / CD24- /低細胞的比例；

（D）用NiP和NiM處理2周的MDA-MB-231微球體中hTERT表達的Western印跡測定，通過β-肌動蛋白評估等同的蛋白質加載。

圖5： NiP在體內抑制乳腺癌CSCs的腫瘤起始能力

（A）解剖腫瘤的照片。 MDA-MB-231細胞皮下注射，小鼠用NiP或NiM每天一次，治療4周；

（B）NiP或NiM處理后荷瘤小鼠的腫瘤生長曲線；

（C）從用NiP或NiM處理的腫瘤組織分離的細胞的大氣層形成；

（D）細胞培養液內微球的定量。 ** P <0.01。

圖6：乳腺癌CSCs中NiP誘導的端粒酶活性抑制，端粒DNA損傷，乳腺CSC性質降低，細胞凋亡和腫瘤發生抑制的示意圖

假定端粒DNA循環回形成T環結構，其中3'突出端插入雙鏈區以形成可穩定T環的D環結構，在DNA復制期間，可以通過端粒酶獲得和延伸3'突出端。 然而，在NiP而不是NiM的存在下，富含G的端粒鏈自組裝成G4結構，導致端粒伸長阻滯，G-四聯體的持久性導致端粒解聚，端粒DNA損傷，3'-突出端降解和細胞凋亡。 同時，NiP介導的細胞應激可以誘導hTERT從核轉位到細胞質，導致乳腺CSC性狀的抑制， 由NiP引起的乳腺CSC性狀喪失和細胞凋亡的誘導導致體內腫瘤起始的根除。

【小結】

本文首次報道了手性配合物在根除CSCs方面顯示出明顯的對映體選擇性，提出了利用端粒DNA的手性識別來設計能夠消除CSCs的抗癌劑的有效方式，實驗證實了手性金屬鎳的一種對映體NiP而不是NiM與乳腺癌細胞相比，具有主要降低乳腺癌細胞活性的能力，對正常細胞影響不大，為癌癥治療研究提供了新思路。

文獻鏈接：Metallo-supramolecular Complexes Enantioselectively Eradicate Cancer Stem Cells in Vivo.?(?J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b07490）

本文由材料人編輯部生物材料組Jing供稿，材料牛編輯整理。

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