陳學思&肖春生AM：仿宿主防御肽結構的合成聚多肽實現無藥物抗癌策略

【研究背景】

化療是治療惡性腫瘤最重要和不可缺少的方法之一。然而目前使用的抗腫瘤藥物大多存在嚴重的副作用和易產生耐藥性等缺點。為了克服這些局限性，提高抗腫瘤藥物的治療效果，基于聚合物的抗腫瘤治療策略被廣泛開發，如設計聚合物-藥物偶聯物和藥物負載的聚合物藥物遞送系統等。在這些應用中，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。有別于這些“生物惰性”材料，構建具有本征廣譜抗腫瘤活性的聚合物的通用策略還尚未報道。宿主防御肽（HDPs）廣泛存在于所有多細胞生物中，在非特異性防御中起著重要作用。雖然早期的研究主要集中在HDPs的抗菌/真菌活性上，但近年來的研究也揭示了HDPs潛在的抗癌活性。這是由于癌細胞具有獨特的膜結構特性，使得陽離子HDPs有望通過“膜溶解”機制選擇性地結合并裂解腫瘤細胞。近幾十年來，人們一直致力于開發用于抗菌領域的仿HDPs結構的聚合物，而用于抗腫瘤的仿HDPs結構的聚合物開發卻相對滯后。

【成果簡介】

近日，中國科學院長春應化所陳學思院士和肖春生副研究員團隊報道一種由仿HDPs結構的合成聚多肽實現的無藥物抗癌策略。這種聚多肽在12種腫瘤細胞系中表現出廣譜的抗癌活性，其中包括耐藥和高轉移性腫瘤細胞。進一步研究表明，這種陽離子抗癌多肽（ACPP）可以通過膜溶解機制在幾分鐘內直接誘導癌細胞快速壞死。此外，為了實現ACPP的體內應用，還制備了一種pH敏感的兩性離子ACPP衍生物（DA-ACPP）。DA-ACPP在中性生理條件下表現出可忽略的溶血作用，在弱酸性腫瘤微環境中可響應性脫去陰離子修飾基團還原成陽離子ACPP，從而選擇性殺傷癌細胞。最終，DA-ACPP在4T1原位乳腺腫瘤模型和B16-F10黑色素瘤肺轉移模型中均顯示出有效的腫瘤生長抑制作用。該文章近日以題為“Antineoplastic Drug-Free Anticancer Strategy Enabled by Host Defense Peptides- Mimicking Synthetic Polypeptides”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

流程圖、ACPP誘導癌細胞壞死的“四步法”膜溶解機制

圖一、DA-ACPPs的表征

（a）在PBS7.4條件下，ACPP和DA-ACPP在不同濃度下的溶血性。

（b）在酸性腫瘤環境中，通過酸誘導2,3-二甲基馬來酰胺（MAA）鍵斷裂，DA-ACPP向ACPP轉化的反應過程示意圖。

（c）pH 6.8或pH 7.4時DA-ACPP（0.1 mg mL^-1）的Zeta電位變化。

（d-e）4T1細胞和B16-F10細胞在pH 6.8或pH 7.4中與不同濃度DA-ACPP培養24小時后的存活率。

（f）在37°C下，用250μg mL^?1 DA-ACPP處理12小時或24小時后，在pH 6.8或pH 7.4下處理B16-F10細胞的掃描電子顯微鏡圖像。

圖二、原位瘤模型中評估DA-ACPPs的體內抗腫瘤活性

（a）在0、2、4、8和12天分別瘤內注射PBS、SA-ACPP（30 mg kg^-1）和DA-ACPP（5、15或30 mg kg^-1）后4T1荷瘤BALB/c小鼠的腫瘤生長曲線。

（b）距第一次治療第17天后記錄腫瘤圖像。

（c）17天后各治療組平均腫瘤質量。

（d）BALB/c小鼠治療期間體重的變化。

（e）各組小鼠腫瘤切片切除后H&E染色。

圖三、黑色素瘤肺轉移模型中評估DA-ACPPs的體內抗腫瘤活性

（a）實驗過程示意圖。

（b）治療結束時肺部圖像。

（c）治療結束時各組肺的質量。

（d）在低（200×，比例尺：100μm）和高（400×，比例尺：50μm）放大倍數下觀察不同實驗組小鼠肺組織的H&E及增殖細胞核抗原染色。

【結論展望】

綜上所述，通過NCA單體的開環聚合和聚合后“硫醇-烯”點擊反應改性，可以簡便地制備仿HDPs結構的陽離子合成聚多肽。這種陽離子聚多肽可稱為ACPP，在多種腫瘤細胞（包括耐藥性和高轉移性癌細胞）中顯示出廣譜的抗腫瘤活性。值得注意的是，與天然HDPs相比，ACPP具有更好的腫瘤選擇性和蛋白酶穩定性。機理研究表明，陽離子ACPP主要通過膜溶解在幾分鐘內引起癌細胞迅速壞死。這種機制類似于HDPs介導的微生物殺滅過程。為了進一步提高腫瘤靶向性，使陽離子ACPP在體內適用，用2,3-二甲基馬來酸酐對氨基進行了部分修飾，合成了ACPP的兩性離子衍生物（DA-ACPP）。由于陽離子電荷降低和兩性離子結構的形成，所得DA-ACPP具有顯著的生物相容性和生物安全性。更重要的是，兩性離子DA-ACPP對pH敏感，可以很容易地在弱酸性腫瘤組織中重新激活成為陽離子ACPP，迅速恢復抗癌活性。最后，這種腫瘤微環境可激活的聚多肽DA-ACPP能有效抑制4T1原位乳腺腫瘤和B16-F10黑色素瘤肺轉移模型中的腫瘤生長，且無明顯副作用。綜上所述，這些發現表明該合成的聚多肽是一種有效的抗癌材料，這可能為具有抗腫瘤活性高分子材料的開發和在未來臨床癌癥治療中的應用提供新的思路。

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

課題組簡介：

中科院長春應化所陳學思研究員：中國科學院院士，課題組長，近年來主要從事生物醫用高分子材料、組織工程和再生醫學、藥物緩控釋載體材料、聚氨基酸水凝膠、聚乳酸產業化等方向的研究。在SCI學術期刊上發表論文700余篇；獲授權中國發明專利150余項。現任中國科學院長春應用化學研究所學術委員會副主任，中國科學院生態環境高分子材料重點實驗室學術委員會副主任，2016年入選國際生物材料與工程聯合會會士，2020年當選2019年中國科學年度新聞人物。擔任美國化學會期刊《ACS Applied Biomaterials Science & Engineering》副主編，擔任國際學術期刊《Journal of Controlled Release》，《Advanced Healthcare Materials》，《Acta Biomaterialia》，《Biomacromolecules》等編委。

中科院長春應化所肖春生副研究員：主要從事高分子納米藥物設計、制備及其在腫瘤和中樞神經損傷診斷、治療中的應用；新型生物可降解高分子/水凝膠的設計和合成方法學；MALDI-MS分析新基質等方向的研究。以第一或通訊作者身份在Adv. Mater.，Biomaterials, J. Controlled Release, Macromolecules等國際主流期刊上發表論文40余篇；以第一發明人身份申請國家發明專利13件，已授權10件。2017年入選中國科學院青年創新促進會會員。

本文由大兵哥供稿。

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