CN106957370B - 一种可在肿瘤细胞内引发毒性的多肽 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多肽与纳米材料，具体公开了一种可对微酸性环境响应进入细胞并在细胞内自组装形成的毒性的纳米纤维的多肽序列，由低pH响应的穿膜肽和含Fmoc基团的短肽组成，所述短肽通过二硫键与所述穿膜肽的C端相连。本发明利用一条低pH响应的穿膜肽将可自组装成纳米纤维的短肽送入细胞内部诱发组装，产生细胞毒性。以期利用这种新的细胞杀伤机制抵抗多药耐药性，实现长期治疗，并且精确控制其在肿瘤部位发生作用。
Description
技术领域
本发明涉及多肽与纳米材料，具体地说，涉及一种可对微酸性环境响应进入细胞并在细胞内自组装形成的毒性的纳米纤维的多肽序列。
背景技术
分子自组装过程普遍存在于自然界中，DNA合成，RNA转录，蛋白质合成折叠以及细胞膜的形成等生物化学过程都是以自组装的方式进行的，是一种分子由无序到有序排列的自发过程。大量复杂的，具有生物活性的大分子或者结构都是通过自组装形成的，自组装体是生命体系中生物分子活动演变的一种重要形式。自组装发生的驱动力以及自组装结构稳定性和完整性的维系都依靠于分子间的弱相互作用力的协同作用，包括氢键，静电力，疏水作用，范德华力，π-π堆积作用，阳离子-π吸附作用等。分子自组装过程是一个不受外力影响的过程，即使是复杂的功能体系也不需要额外的驱动力，分子排列一旦开始，将会自动进行到某个终点。在自组装的过程中，分子间几何尺寸形状或者分子间非共价相互作用的识别具有重要作用，分子的空间尺度和分子取向决定了该分子是否能排列成规整的结构发生组装，分子间的相互作用力驱使组装的发生以及组装结构完整性的维系。控制自组装的指令信息都包含在组装分子之中，因此，组装单体的设计显得尤为重要，它有利于进一步调控自组装过程，得到功能性结构。近年来，自组装技术已经成为纳米科技的重要手段，得到了快速发展。利用自组装技术具有大量的优势，通过合理的设计组装分子，可以精确地控制自组装过程的发生，自组装结构的形貌，尺寸，机械性能等，并且自组装完全是一个自发的过程，反应条件温和，操作仪器简单。
大量研究表明，多肽研究的热点主要集中在构建环境响应性生物医用材料以及直接用于调控细胞活动或者引发细胞毒性。由于多肽分子侧链可带不同电荷，其在pH响应性生物材料方面的有着巨大的应用前景。人体组织pH值的细微变化往往与疾病紧密相连。正常组织中，pH往往维系在一个弱碱性水平上，而在严重威胁人类健康的肿瘤中，其微环境的pH为微酸性(肿瘤细胞外基质pH值在6.7-7.1之间)。因此，对微酸性环境快速响应的生物医用材料将在肿瘤的诊断和治疗中发挥巨大作用。通过精心设计多肽序列，合理引入带不同电荷的氨基酸，可实现微小pH变化下的电荷反转或者是亲疏水性变化，从而实现肿瘤部位特异性地微酸性响应。另外，多肽直接用于肿瘤治疗也越来越受关注，这些生物活性肽很多都来源于抗体的功能片段，高特异性和低成本使得其成为更优于抗体的选择。多肽在细胞内自组装成纳米纤维引发细胞毒性是一个非常新的领域，其毒性机制与传统的化疗药物或者抗体类药物相比有着比较大的差异。这种自组装的纳米纤维没有特定的作用位点，对于易于发生突变产生耐药的肿瘤细胞来说，有很大的潜力成为一个可长期应用的治疗策略，并且可通过合理设计多肽序列，在时间和空间上精确控制组装的发生。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可在肿瘤细胞内引发毒性的多肽，利用一条低pH响应的穿膜肽将可自组装成纳米纤维的短肽送入细胞内部诱发组装，产生细胞毒性。以期利用这种新的细胞杀伤机制抵抗多药耐药性，实现长期治疗，并且精确控制其在肿瘤部位发生作用。
为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种可在肿瘤细胞内引发毒性的多肽，由低pH响应的穿膜肽和含Fmoc基团的短肽组成，所述短肽通过二硫键与所述穿膜肽的C端相连。
其中，所述短肽为Fmoc-GSSC(S2)，Fmoc-GSC(S1)或Fmoc-GSSSC(S3)。
所述穿膜肽的氨基酸序列为AAEQNPIYWARYADWLFTTPLLLLDLALLVDADEGTKG(SEQ IDNO.1)，或将SEQ ID NO.1中的赖氨酸替换为半胱氨酸后的序列。
进一步地，当所述穿膜肽的氨基酸序列为SEQ ID NO.1时，所述短肽与所述穿膜肽通过含二硫键的交联分子SPDP连接。若将低pH响应穿膜肽中的赖氨酸换成半胱氨酸，可直接形成分子间二硫键连接。
具体地说，所述多肽的制备方法为：首先利用穿膜肽赖氨酸(或替换后半胱氨酸)上的氨基和SPDP(3-(2-吡啶二巯基)丙酸N-羟基琥珀酰亚胺酯)上的N-羟基琥珀酰亚胺反应，使穿膜肽与SPDP相连；然后利用短肽上的巯基取代SPDP另一端的硫吡啶基团，从而将穿膜肽和短肽通过一个包含有双硫键的分子连接起来。
进一步地，当所述穿膜肽的氨基酸序列为将SEQ ID NO.1中的赖氨酸替换为半胱氨酸后的序列时，所述多肽的制备方法为：
将含有半胱氨酸的穿膜肽与短肽反应，两个半胱氨酸上的巯基被氧化，生成分子间双硫键，然后通过反相高效液相色谱纯化得到穿膜肽与短肽的键连产物。所述两个半胱氨酸为任意两个，最后通过纯化得到目标产物。
第二方面，本发明还提供了前述多肽在制备引发肿瘤内毒性的药物或试剂中的应用。
可由低pH响应的穿膜肽(pHLIP)特异性结合处于微酸性环境中的肿瘤细胞，细胞内的谷胱甘肽作为组装的开关，短肽上的Fmoc基团的π-π堆积作用引导短肽(S2)自组装形成纳米纤维，该纳米纤维可产生细胞毒性。
在肿瘤的微酸性微环境中，穿膜肽上的第14和第25位的两个天冬氨酸质子化，疏水性增加，多肽形成α螺旋结构穿透细胞膜，将C端通过双硫键连接的短肽送入细胞内部。在细胞内谷胱甘肽的作用下，双硫键断裂，短肽被释放出来，自组装形成纳米纤维，扰动细胞，产生细胞毒性。
短肽的组织驱动力为Fmoc基团的π-π堆积作用，经自组装形成高度有序的纳米结构，可对细胞进行扰动，产生毒性。
所述多肽的特异性好、安全性高、毒性机制新颖，有望成为良好的肿瘤治疗多肽药物。
本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。
本发明的有益效果在于：
本发明设计的多肽序列具有pH响应性，可特异性地在肿瘤环境中作用，安全性高，是一种广谱的肿瘤治疗策略。低pH响应穿膜肽可将自组装多肽分子送入细胞内部，分子利用率高。细胞内短肽自组装形成的纳米纤维表现出的是一种无靶点的，不同于小分子化疗药物的杀伤方式，具有很大的潜力克服肿瘤细胞耐药性的产生，实现长期治疗。
附图说明
图1显示实施例1中短肽自组装纳米纤维在中性磷酸缓冲液中的形貌观察。
图2显示实施例1中多肽在酸性条件下，细胞内自组装形成的纳米纤维。
图3显示实施例1中多肽的毒性测试。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1可在肿瘤细胞内引发毒性的多肽的制备
一、原料：
CLEAR-Amide树脂(购自北京中原领先科技有限公司)、Fmoc保护的L-氨基酸(购自吉尔生化(上海)有限公司)、甲基吡咯烷酮(购自西格玛奥德里奇公司)、N-羟基-7-氮杂苯并三氮唑(购自吉尔生化(上海)有限公司)、N,N’-二异丙基碳二亚胺(购自西格玛奥德里奇公司)、二氯甲烷(购自西格玛奥德里奇公司)、N,N-二甲基甲酰胺(购自西格玛奥德里奇公司)、哌啶(购自西格玛奥德里奇公司)、10％N,N-二异丙基乙胺的N,N-二甲基甲酰胺溶液(购自梯希爱(上海)化成工业发展有限公司)、1％苦基磺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液(购自梯希爱(上海)化成工业发展有限公司)、乙酸酐(购自西格玛奥德里奇公司)、吡啶(购自西格玛奥德里奇公司)、三氟乙酸(购自西格玛奥德里奇公司)、1,2-乙二硫醇(购自西格玛奥德里奇公司)、茴香硫醚(购自西格玛奥德里奇公司)、乙醚(购自国药集团化学试剂北京有限公司)、SPDP(3-(2-吡啶二巯基)丙酸N-羟基琥珀酰亚胺酯)(购自西格玛奥德里奇公司)、三乙胺(购自西格玛奥德里奇公司)
二、制备方法：
1、低pH响应穿膜肽分子(SEQ ID NO.1所示序列)的制备：
(1)分别配制0.465mmol Fmoc-Gly-OH/4mL甲基吡咯烷酮、0.465mmol N-羟基-7-氮杂苯并三氮唑/1mL甲基吡咯烷酮、0.465mmol N,N’-二异丙基碳二亚胺/1mL甲基吡咯烷酮的溶液。称取0.5g CLEAR-Amide树脂放入玻璃反应器中，用5mL的二氯甲烷洗涤树脂1小时，然后将二氯甲烷用真空泵抽走。再用5mL的N,N-二甲基甲酰胺重复洗涤树脂5次，每次持续1分钟。然后用体积比为1:4的哌啶:N,N-二甲基甲酰胺溶液(5mL)进行保护基的脱除，反应3次，前两次各持续3分钟，第三次持续20分钟。之后再用5mL的N,N-二甲基甲酰胺重复洗涤树脂5次，每次持续1分钟，直到N,N-二甲基甲酰胺洗液的pH显中性。
(2)将前面配好的Fmoc保护的甘氨酸、N-羟基-7-氮杂苯并三氮唑、N,N’-二异丙基碳二亚胺溶液加入反应器中，持续反应2小时。反应停止后，再用5mL的N,N-二甲基甲酰胺重复洗涤树脂5次，每次持续1分钟。
然后进行TNBS测试，考察是否已经发生氨基酸的耦联，其过程如下：各取10μL的含有10％N,N-二异丙基乙胺的N,N-二甲基甲酰胺溶液和含有1％苦基磺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液放入小离心管中混合，再从反应器中取出少许树脂放入上述混合液中，静置5分钟。移走上清液，再加入500μL的N,N-二甲基甲酰胺于小离心管中，重复上述步骤，直至上清液几乎不带颜色。此时，如果树脂呈无色透明，说明已经发生氨基酸的耦联，反应可以继续进行；如果树脂呈鲜红色，说明还有剩余的活性位点存在，必须重复加入氨基酸、N-羟基-7-氮杂苯并三氮唑、N,N’-二异丙基碳二亚胺溶液，再反应2小时，直至TNBS测试显示树脂无色透明。重复以上步骤继续缩合剩下的氨基酸，直至所有的氨基酸都反应上。
(3)然后进行pH响应穿膜肽N末端的保护，用体积比为1:4的哌啶:N,N-二甲基甲酰胺溶液(5mL)进行保护基的脱除之后，加入2mL乙酸酐/4mL吡啶的混合液，反应两次、每次2小时。做完TNBS测试，确保pH响应穿膜肽的N末端已经被成功保护后，再用5mL的二氯甲烷重复洗涤树脂5次，每次持续1分钟。
(4)最后，将pH响应穿膜肽从树脂上裂解下来，具体过程如下：首先配制裂解液：9.5mL三氟乙酸+0.85mL1,2-乙二硫醇+0.5mL茴香硫醚+0.5mL去离子水。将树脂放入上述混合液中进行裂解反应3小时，之后过滤掉树脂，在收集到的液体中加入乙醚，立即出现白色沉淀。然后，离心分离上述悬浊液，转速为5000rpm、离心时间5分钟，除去上清液，进行冷冻干燥，收集白色pH响应穿膜肽粉末，制得分子量4kDa的穿膜肽分子(pHLIP)。
2、短肽分子(Fmoc-GSSC)的制备：
(1)分别配制0.465mmol Fmoc-(Trt)Cys-OH/4mL甲基吡咯烷酮、0.465mmol N-羟基-7-氮杂苯并三氮唑/1mL甲基吡咯烷酮、0.465mmol N,N’-二异丙基碳二亚胺/1mL甲基吡咯烷酮的溶液。称取0.5g CLEAR-Amide树脂放入玻璃反应器中，用5mL的二氯甲烷洗涤树脂1小时，然后将二氯甲烷用真空泵抽走。再用5mL的N,N-二甲基甲酰胺重复洗涤树脂5次，每次持续1分钟。然后用体积比为1:4的哌啶:N,N-二甲基甲酰胺溶液(5mL)进行保护基的脱除，反应3次，前两次各持续3分钟，第三次持续20分钟。之后再用5mL的N,N-二甲基甲酰胺重复洗涤树脂5次，每次持续1分钟，直到N,N-二甲基甲酰胺洗液的pH显中性。
(2)将前面配好的Fmoc保护的半胱氨酸、N-羟基-7-氮杂苯并三氮唑、N,N’-二异丙基碳二亚胺溶液加入反应器中，持续反应2小时。反应停止后，再用5mL的N,N-二甲基甲酰胺重复洗涤树脂5次，每次持续1分钟。
然后进行TNBS测试，考察是否已经发生氨基酸的耦联，其过程如下：各取10μL的含有10％N,N-二异丙基乙胺的N,N-二甲基甲酰胺溶液和含有1％苦基磺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液放入小离心管中混合，再从反应器中取出少许树脂放入上述混合液中，静置5分钟。移走上清液，再加入500μL的N,N-二甲基甲酰胺于小离心管中，重复上述步骤，直至上清液几乎不带颜色。此时，如果树脂呈无色透明，说明已经发生氨基酸的耦联，反应可以继续进行；如果树脂呈鲜红色，说明还有剩余的活性位点存在，必须重复加入氨基酸、N-羟基-7-氮杂苯并三氮唑、N,N’-二异丙基碳二亚胺溶液，再反应2小时，直至TNBS测试显示树脂无色透明。重复以上步骤继续缩合剩下的氨基酸，直至所有的氨基酸都反应上。最后一个氨基酸甘氨酸的胺基保护基Fmoc不用去除。
(3)最后，将Fmoc-GSSC从树脂上裂解下来，具体过程如下：首先配制裂解液：9.5mL三氟乙酸+0.85mL1,2-乙二硫醇+0.5mL茴香硫醚+0.5mL去离子水。将树脂放入上述混合液中进行裂解反应3小时，之后过滤掉树脂，在收集到的液体中加入乙醚，立即出现白色沉淀。然后，离心分离上述悬浊液，转速为5000rpm、离心时间5分钟，除去上清液，进行冷冻干燥，收集白色粉末，制得短肽Fmoc-GSSC(S2)。
3、多肽(pHLIP-S2)的制备：
按照摩尔比1:5分别称取pHLIP和SPDP，将pHLIP溶于磷酸缓冲液与无水甲醇体积比3:1的溶液中，并将pH调至7.2，37℃反应1.5小时，并用摇床持续摇晃反应体系。是pHLIP上的赖氨酸上的氨基取代SPDP上的N-羟基琥珀酰亚胺基团。然后用三次水透析6次，每次4小时，除去未反应的SPDP以及无机盐，然后将纯化好的样品冻干。然后称取SPDP同等摩尔量的S2，将冻干的样品和S2溶于N,N-二甲基甲酰胺中，37℃反应6小时，并用摇床持续摇晃反应体系。将反应好的体系用水稀释5倍后透析6次，每次4小时。然后用高效液相色谱纯化反应产物(pHLIP-S2)，将产品收集起来，冻干，保存于-20℃。
实施例2
S2自组装形貌的测定：称取0.5mg S2，将其溶于1mL中性磷酸缓冲液中，超声分散5分钟，静止1小时。然后用透射电子显微镜观察其组装形貌。
实施例3
电子显微镜下观察细胞内纳米纤维的形成：将适量肿瘤细胞(MDA-MB-231)接种到6厘米细胞培养皿中，在37℃，5％CO2环境下用完全培养基培养。待其数目长到80％左右的时候，加入溶有2mg pHLIP-S2的pH为6.5的基本培养基，在37℃，5％CO2条件下孵育4小时。然后将细胞收集起来，用戊二醛固定。然后经过锇酸固定，乙醇梯度脱水，环氧树脂包埋，切片，染色剂染色等一系列步骤之后，在透射电子显微镜下观察细胞内自组装形成的纳米纤维。
实施例4
细胞内自组装纳米纤维毒性测试：将状态良好的肿瘤细胞(MDA-MB-231)收集起来，细胞计数后用完全培养基稀释成7500个细胞/孔，将细胞接种到96孔板中。待细胞长到80％左右时，弃去培养基，吸取用pH6.5的基本培养基配制的pHLIP-S2多肽溶液加入到孔中，设置浓度梯度及对照组，最高多肽浓度为100μM。在37℃，5％CO2下培养24小时。然后弃去原培养基，加入用基本培养基10×稀释的CCK-8试剂100μL，37℃反应1小时后，用酶标仪检测其在450nm出的吸光度。
下，多肽可引起60％的细胞毒性，12.5μM以下浓度没有明显的毒性。在弱碱性的生理pH下，对细胞没有明显的毒性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
序列表
<110> 国家纳米科学中心
<120> 一种可在肿瘤细胞内引发毒性的多肽
<130> KHP161117317.3Q
<160> 1
<170> PatentIn version 3.5
<210> 1
<211> 38
<212> PRT
<213> pHLIP
<400> 1
Ala Ala Glu Gln Asn Pro Ile Tyr Trp Ala Arg Tyr Ala Asp Trp Leu
1 5 10 15
Phe Thr Thr Pro Leu Leu Leu Leu Asp Leu Ala Leu Leu Val Asp Ala
20 25 30
Asp Glu Gly Thr Lys Gly
35
Claims (3)
1.一种可在肿瘤细胞内引发毒性的多肽，其特征在于，由低pH响应的穿膜肽和含Fmoc基团的短肽组成，所述短肽通过二硫键与所述穿膜肽的C端相连；
所述短肽为Fmoc-GSSC；所述穿膜肽的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示；所述短肽与所述穿膜肽通过含二硫键的交联分子SPDP连接。
2.权利要求1所述多肽的制备方法，其特征在于，首先利用穿膜肽赖氨酸上的氨基和SPDP上的N-羟基琥珀酰亚胺反应，使穿膜肽与SPDP相连；然后利用短肽半胱氨酸上的巯基取代SPDP另一端的硫吡啶基团，从而将穿膜肽和短肽通过一个包含有双硫键的分子连接起来。
3.权利要求1所述的多肽在制备引发肿瘤内毒性的药物或试剂中的应用。
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