Ras介导唑来膦酸衍生物M4IDP引起结肠癌细胞ROS增高的机制研究

Bisphosphonates, which are represented by zoledronic acid, can be used to induce anti-tumor effects by up-regulating the reactive oxygen species (ROS) level of cancer cells, however, the mechanisms for them raising ROS are still unraveled. The latest researches have shown that M4IDP, a derivative of zoledronic acid, induces apoptosis and autophagy via increasing the intracellular ROS level in human colorectal cancer (CRC) HCT116 cells, which is expected to be a promising drug candidate for CRC cancer therapy in the future. Preliminary results suggested that Ras, as an important downstream protein influenced by isoprene synthesis pathway and the upstream protein affecting the pentose phosphate pathway, may connect these two cell metabolic pathways and subsequently affect the cell oxidative stress level and survival. Based on these findings, with the cell biology, molecular biology, ROS research means and mice tumor models, the potential mechanisms that M4IDP increases the intracellular ROS level in HCT116 cells and the feasibility that M4IDP treats CRC by promoting oxidation will be studied. The findings will further reveal the knowledge about the anti-cancer mechanisms of bisphosphonates in the field of CRC and provide us the theoretical basis and experimental evidence for the application of bisphosphonates in the anti-cancer field targeting oxidation-promoting.

以唑来膦酸为代表的双膦酸盐类药物可通过上调癌细胞的活性氧水平来介导抗肿瘤效应，但其上调活性氧的机制尚未阐明。最近的研究表明，唑来膦酸衍生物M4IDP可通过增高细胞内活性氧水平引起结肠癌HCT116细胞发生凋亡和自噬，有望成为治疗结直肠癌的备选药物。本项目的前期研究结果提示，作为类异戊二烯合成途径所影响的重要下游蛋白以及影响磷酸戊糖途径的上游蛋白，Ras可能通过转接这两个细胞代谢途径，进而影响细胞的氧化应激水平和生存。本项目在此基础上运用细胞生物学、分子生物学结合活性氧相关研究手段和小鼠肿瘤模型，探讨M4IDP上调HCT116细胞活性氧水平的机制以及M4IDP通过促氧化策略治疗结肠癌的可行性。本项目预期成果不仅可以增加人们对双膦酸盐类药物在结肠癌领域中抗癌机制的了解，而且可为此类药物在以促氧化为靶标的抗癌领域的应用提供理论和实验依据。

以唑来膦酸为代表的双膦酸盐类药物可通过上调癌细胞的ROS水平来介导抗肿瘤效应，但其上调ROS的机制仍有待于揭示。本项目在前期研究发现唑来膦酸衍生物M4IDP可通过增高胞内ROS水平引起HCT116结肠癌细胞发生死亡，并有望成为治疗结直肠癌备选药物的基础上，对其促氧化能力和上调ROS的机制进行了研究。我们发现M4IDP可引起HCT116、LoVo等结肠癌细胞发生氧化应激，并可通过促氧化策略抑制癌细胞生存。进一步研究发现，M4IDP可通过抑制Ras-TP73-G6PD调节轴来减少HCT116细胞内NADPH的含量，进而引起胞内ROS水平增高和细胞死亡。此外，我们还发现M4IDP更有可能通过抑制GGPPS来引起HCT116细胞死亡。我们的研究首次揭示了双膦酸盐类药物引起恶性肿瘤细胞ROS升高的可能机制，这不仅增加了人们对此类药物在结肠癌领域中抗癌机制的了解，还为此类药物在以促氧化为靶标的抗癌领域的应用提供了理论和实验依据。我们的研究还可能发现了一个抗结直肠癌的有效靶点，即GGPPS，这可能为临床防治结直肠癌带来新的希望。此外，为了改进双膦酸盐类药物，我们对咪唑环和P-C-P主链之间的亚甲基连接基团数量逐渐增加的一系列唑来膦酸衍生物的抗破骨细胞性能进行了研究，发现其中两种化合物IPeDP和IHDP可能通过干扰甲羟戊酸通路、阻断JNK和Akt通路来抑制破骨细胞的分化和功能，以及诱导破骨细胞凋亡，证明了它们在治疗涉及破骨细胞生成增加的骨相关疾病方面有潜在的应用价值，并揭示了双膦酸盐类药物结构和性质之间的一些规律，为双膦酸盐类药物的进一步研究开发提供了参考依据。我们还开发了一种基于分子信标的多重扩增策略的生化分子检测方法，该方法操作简单，灵敏度高，特异性好，抗干扰能力强，且具有可扩展性，可用于相关疾病的研究和诊断。