生物相容性铜团簇调控肺肿瘤氧化压力效应及机制研究

Biocompatible peptide-modified copper clusters will be designed and synthesized to trigger Fenton-like reaction in lung tumor cells to produce hydroxyl free radicals with much higher reactivity. It will lead to the remarkable increase of intracellular level of reactive oxygen species which inhibits the proliferation of tumor cells with high efficiency. The relevant biochemical processes and mechanisms will be demonstrated. The antitumor effect in vitro and in vivo will be evaluated. First of all, using a simple bioconjugation technique, albumin from bovine serum (BSA) will be linked with the lung cancer-targeting peptide (LCTP). By the strategy of mineralization and reduction in situ, a series of LCTP-BSA-Cux containing different numbers of copper atoms will be prepared in a controlled model. Then, detailed exploratory experiments will be carried out to disclose main factors affecting catalytic efficiency, taking the copper clusters structure for an example. Also, the relevant catalytic mechanism involved will be elucidated. The optimal copper clusters with high catalytic efficiency will be screened out. Furthermore, NCI-H460 cells (non small cell lung cancer cells) are selected as the model cells. The oxidation extent of biological macromolecules and apoptosis signal transduction pathways, mediated by elevated levels of oxidative stress triggered by the catalysis of copper clusters, will be explored in vitro. Next, the safety and in vivo biodistribution of the copper clusters will be investigated using ICR mice and xenografted tumor model, respectively. Meanwhile, the evaluation of their therapeutic effect will be constructed. Through the systematic study on the above mentioned biological catalysis system, the inherent relationship between clusters’ structure, catalytic performance, biological safety and anti-cancer effect will be revealed. The project is anticipated to lay the foundation for developing the metal clusters as the potential molecular targeted agent to improve the therapeutic effect of malignant tumors which possess high oxidative stress levels.

本项目将设计与合成生物相容性靶向肽-白蛋白修饰的铜团簇，研究其在肺肿瘤细胞中触发类芬顿反应产生强氧化性羟基自由基进而诱导细胞氧化压力升高的生物效应，阐明相关生化过程及细胞生物学机制，并在细胞和动物水平评价抑瘤效果。首先通过生物偶联技术制备肺癌靶向肽-白蛋白复合物，结合原位还原反应，可控合成系列不同结构的铜团簇。重点研究铜团簇的结构影响羟基自由基产生水平的规律，筛选催化效率高的铜团簇，探明其催化类芬顿反应的机理。进一步以人非小细胞肺癌细胞为模型，在体外考察其调控肿瘤细胞内氧化应激水平升高介导的生物大分子氧化及触发凋亡的细胞分子通路，揭示其抑制肿瘤细胞增殖的规律及相关机制。在此基础上，以荷瘤裸鼠为模型，系统研究铜团簇体内组织分布，综合评价其生物安全性与抗肿瘤疗效，详细探索团簇结构-催化效能-生物效应-安全性之间的内在关系，为开发针对氧化压力型肿瘤的新型金属团簇类分子靶向药物奠定基础。

本项目针对肺癌、乳腺癌、神经胶质瘤、慢性淋巴白血病的细胞、组织水平中活性氧水平、抗氧化蛋白谷胱甘肽过氧化物酶-1 （GPX-1）、硫氧还蛋白还原酶-1（TrxR-1）表达水平较正常细胞、组织高的特性，利用生物矿化技术，设计、合成与筛选了多种高效、低毒、具有肿瘤微环境响应性的蛋白与多肽保护的金属团簇，重点研究了金属团簇结构-物化性能-抑癌生物效应之间的相互关系，初步实现了氧化压力表型肿瘤的体内外选择性催化治疗、生物靶向治疗、光动力与生物靶向的联合治疗。（1）首先通过生物偶联技术制备了RGD靶向肽-白蛋白复合物，结合生物矿化反应，以多肽-白蛋白复合物为保护剂可控合成具有明确分子组成的铜团簇。重点研究了铜团簇的能带结构对团簇持续催化H2O2分解生成•OH的作用规律，探明其催化类芬顿反应的机理。进一步以人非小细胞肺癌细胞与正常肺细胞为模型，在体外考察了铜团簇调控肿瘤细胞内氧化应激水平升高介导的生物大分子氧化及触发凋亡的细胞分子通路，揭示其抑制肿瘤细胞增殖的规律及相关机制。在此基础上，以荷瘤裸鼠为模型，系统研究了铜团簇的体内生物安全性、组织分布、生物催化疗效。（2）针对肺肿瘤微环境氧化压力高且GPX-1高表达，以及慢性淋巴白血病细胞氧化压力高且TrxR-1高表达的病理特征, 结合计算机辅助药物筛选，以GPX-1、TrxR-1为靶点，设计、筛选、合成多种与生物大分子靶点高效识别且特异性抑制酶活性的多肽保护的金团簇，初步实现了以抗氧化蛋白为药物靶点的分子靶向药物的合成、筛选与药效性质研究。（3）针对乳腺癌氧化压力高、TrxR-1高表达的肿瘤病理特征，设计了脂质体包载光敏剂与金团簇的新型纳米药物剂型。具有酸敏感的脂质体进入乳腺癌细胞溶酶体后释放金团簇与光敏剂分子，金团簇抑制TrxR-1的酶活性，提高细胞内活性氧水平。随后在光辐照条件下进行肿瘤光动力治疗，光动力治疗与生物靶向治疗发生协同增效。该策略提供了另一种治疗氧化压力表型的肿瘤的有效方案。