基于质谱的金属抗肿瘤药物细胞蛋白质组学研究

Cisplatin and organometallic ruthenium anticancer complexes have been thought to act through attacking DNA. However, they can also interact with intercellular and intracellular proteins before reaching cell nuclei to target DNA. Such interactions with proteins may significantly affect the drug metabolism, cellular distribution and bioavailability. The interactions between metal-based anticancer complexes and proteins have been extensively studied at molecular level. However, few studies on the interactions of metal-based anticancer complexes with proteins at cellular level have been reported so far. This proposal aims developing mass spectrometric proteomic methods to explore the interactions of cisplatin and organometallic ruthenium anticancer complexes with proteins inside cancer cells. We plan to apply 2D-HPLC-ICP-MS to isolate and identify the HPLC fractions of metallated cellular proteins by cisplatin or ruthenium complexes, then identify these metallated proteins by collecting each fraction and analyzing its tryptic digest by nanoLC-ESI-MS/MS. By comparing the difference between the interactions of cisplatin and ruthenium complexes with intracellular proteins, we will explore the influence and regulation of such interactions in anticancer activity of anticancer metallodrugs, establish the relationship between side effect of metallodrugs, drug resistance and interactions of metallodrugs with proteins, providing insights into better understanding in mechanism of action and rational design of metal-based anticancer drugs.

顺铂和有机金属钌抗肿瘤配合物以DNA为终极靶标，但药物进入细胞核与DNA作用前，不可避免会与细胞内外的生物分子，如蛋白质发生作用，影响药物的细胞摄入、分布、代谢和生物利用度。但是，迄今为止，在细胞水平上对金属抗肿瘤药物与蛋白质相互作用的研究鲜有报道。本项目拟建立基于质谱的金属药物细胞蛋白质组学研究平台，以2D-HPLC-ICP-MS分离鉴定与金属药物稳定结合的蛋白质馏分，继而以nanoLC-ESI-MS/MS 鉴定与金属药物相互作用的胞内蛋白质（群）。通过比较两类药物在敏感株、耐药株肿瘤细胞中与蛋白质相互作用的差异，探索胞内蛋白质对金属抗肿瘤药物药效发挥的影响和调控作用，以及蛋白质相互作用与金属抗肿瘤药物毒副作用和耐药性产生之间的关系，以期发现涉及顺铂和有机金属钌抗肿瘤化合物不同作用机理的关键蛋白质，为抗肿瘤药物的设计和优化提供理论基础和实验依据。

该项目针对铂类、钌类金属抗肿瘤药物在进入细胞后，与终极靶标DNA结合前，与细胞中的蛋白质分子发生相互作用，并由此产生的此类药物的耐药性等科学问题，发展和完善了基于二次离子质谱成像（SIMS Imaging）技术，同时结合光学成像技术，在单细胞水平上研究金属抗肿瘤药物在肿瘤细胞中的分布，进而结合HPLC-ICP-MS、nanoLC-ESI-Orbitrap-MS，nanoLC-ESI-Q-TOF-MS等技术，定性、定量地研究了钌类金属抗肿瘤药物与细胞质中相关蛋白质的相互作用。主要研究成果包括：1.以铂类药物为模型，完善了可以用于二次离子质谱的寻址硅片的性能，并将该硅片用于本课题组设计和合成的双靶点铂类抗肿瘤药物的单细胞成像，证实了该新型药物分子是完整地进入细胞内发挥抗肿瘤活性。2.探索了铂类和钌类金属抗肿瘤药物与肿瘤细胞作用后的蛋白质组学研究，鉴定出多个可能与铂类、钌类金属抗肿瘤药物结合的蛋白质。3.选取肿瘤细胞内丰度高的、潜在的与金属抗肿瘤药物相互作用的过氧化物氧化还原酶-1作为研究对象，比较研究了三种不同配体的有机金属钌抗肿瘤化合物对过氧化物氧化还原酶-1的活性抑制的差异，并且应用基于质谱的蛋白质组学以及分子模拟等研究手段，定性、定量分析了药物与该酶的相互作用，揭示了此三种有机金属钌配合物由于配体不同导致它们与过氧化物氧化还原酶-1催化活性位点的结合能力不同，从而对酶的抑制活性能力不同。项目执行期间，发表SCI论文一篇，协助指导和培养硕士研究生2名。