CN109125346A - 一种可再生的铜载体抗癌试剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种可再生的铜载体抗癌试剂，即通过膜通透性铜离子载体2,2'‑二硫二吡啶(DPY)，将二价铜离子(Cu2+)运载至细胞内，在细胞内释放出Cu2+，同时生成二巯基吡啶(DMe)，DMe在细胞内氧化的条件下产生新的DPY，达到可再生、可循环运载铜离子的目的。在此过程中提升细胞内的铜和氧化应激水平，打破癌细胞氧化还原适应的阈值和铜水平差异的治疗窗，实现选择性地诱导癌细胞死亡。
Description
技术领域
本发明涉及一种可再生的铜载体抗癌试剂及其在抗肿瘤中的用途。属于医药领域。
背景技术
癌症是当今社会危害人类健康和生命的重大疾病之一。癌症的治疗不仅是医学的一大挑战，而且也导 致了严重的社会与经济问题。近年来，利用癌细胞与正常细胞不同的生化特征实现恶性肿瘤的化学药物治 疗备受学者关注。
癌细胞与正常细胞相比，表现出增加的活性氧(ROS)水平以维持其恶性表型增长，从而更依赖于“氧 化还原适应”的机制，即将ROS水平保持在允许其逃脱死亡的范围内(NatRev Drug Discov.，2013，12(12)： 931-947)。基于此种生化差异，当抗癌药物进一步提升细胞内的ROS水平，超越癌细胞的临界“毒性阈 值”时便可引发其死亡(Antioxid RedoxSignal.，2017，26(6)：262-273.)，而正常细胞由于基础ROS水平 低，故可以抵抗此范围内的ROS刺激，免受死亡。基于此特点，近年来通过靶向调节细胞内的主要抗氧 化系统硫氧还蛋白(Trx)系统和谷胱甘肽(GSH)系统，从而调控细胞内的ROS水平，诱导癌细胞死亡， 成为抗癌药物发展的策略之一(Trends Pharmacol Sci.，2017，38(9)：794-808)。此外，癌细胞中的铜水 平与正常细胞相比显著增高(Cancer Treat Rev.，2009，35(1)：32-46)，当细胞内的铜浓度被增加时，正常 细胞和癌细胞之间的治疗窗使得铜离子载体抗癌药物发展成为可能(Chem Rev.，2014，114(1)：815-62)。 更重要的是，由于临床主流抗癌药物铂类的毒副作用及抗药性等问题，使得用铜代替铂类药物中的铂成为 金属类抗癌药物研发的趋势之一(Metallomics，2015，7(11)：1459-1476)。
靶向细胞氧化还原系统的铜类抗癌药虽有报道(Cancer Treat Rev.，2009，35(1)：32-46)，但利用癌细 胞特殊的氧化还原调控机制，结合铜离子载体将铜循环地运载至细胞内，以氧化应激介导的细胞凋亡方式 选择性诱导癌细胞死亡的研究目前尚未见报道。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种可再生的铜载体抗癌试剂，即膜通透性铜离子载体2,2'-二硫二吡啶 (DPY)，将二价铜离子(Cu2+)运载至细胞内，在细胞内释放出Cu2+，同时生成DMe，DMe在细胞内 氧化的条件下产生新的DPY，达到可再生、可循环运载铜离子的目的。在此过程中提升细胞内的铜和氧化 应激水平，打破癌细胞氧化还原适应的阈值和铜水平差异的治疗窗，实现选择性地诱导癌细胞死亡。
本发明的第二目的是DPY与Cu2+协同的抗癌作用的应用。
本发明的第三目的是提供DPY与Cu2+形成的一新配合物。
本发明所述的一种可再生的铜载体抗癌试剂所涉及到的分子结构如下：
本发明所述的一种可再生的铜载体抗癌试剂的原理如图1所示。
本发明所述的一种可再生的铜载体抗癌试剂所涉及到的细胞内氧化还原反应如下:
2Cu2++2RS-→2Cu++RSSR (1)
Cu++O2→Cu2++O2 -. (2)
RS-+O2→RSSR+O2 -. (3)
本发明所述的一种可再生的铜载体抗癌试剂体外验证反应如下:
本发明所述的一种可再生的铜载体抗癌试剂体外验证晶体结构如下:
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。但不应将此理解为对本发明的限制。
图1为一种可再生的铜载体抗癌试剂的原理。
图2为铜离子浓度的选择。(A)和(B)分别是CuCl2对HepG2和HeLa的细胞毒活，(C)是最佳铜离子浓 度的选择。
图3为铜离子依赖的细胞毒性。(A-C)和(D-F)分别是DPY、DPH、DMe与CuCl2对HepG2细胞24h和48h 的细胞毒活。(G-I)是DPY、DPH、DMe与CuCl2对HeLa细胞48h的细胞毒活。(J)是DPY与CuCl2对A549和 SMMC-7721细胞48h的细胞毒活。(K)是DPY与CuCl2对HEK 293T、BEAS-2B和L02细胞24h的细胞毒活。 以上A-K均是通过MTT方法测定。(L)是DPY与CuCl2对HepG2细胞48h的细胞毒活，通过台盼蓝染色法进 行测定。
图4DPY与Cu2+形成配合物。(A)是形成配合物的方程式，(B)是形成新配体的晶体结构。
图5DPY将Cu2+载入细胞。(A)是DPY与CuCl2作用HepG2细胞后，细胞内的铜离子浓度具有一定 的时间依赖关系，(B)是DPY、DPH、DMe与CuCl2作用HepG2细胞24h后，细胞内铜离子浓度的变化， (C)是DPY、DPH、DMe与CuCl2作用HeLa细胞24h后，细胞内铜离子浓度的变化。
具体实施方式
实施例1：铜离子浓度的筛选
本发明考察了CuCl2自身对肿瘤细胞的毒性以及它与DPY共同作用的最佳浓度。如图2A所示，CuCl2在浓度0-50μM之间作用HepG2细胞24h或者48h后，均对细胞几乎无毒性，但是当CuCl2浓度增加到 100μM时，作用24h或48h后在显微镜下可以明显地观察到细胞死亡，MTT结果与本发明的观察一致， 100μM CuCl2对HepG2细胞作用24h后有一定的毒性。为了进一步验证在其它肿瘤细胞中也存在此现象， 如图2B所示，CuCl2在浓度0-50μM之间作用HeLa细胞48h后，同样地，浓度在0-50μM之间几乎对细 胞无毒性，但是当100μM的CuCl2作用HeLa细胞48h后存在明显的毒性。所以本发明选取了CuCl2的作 用浓度在0-50μM之间。为了寻求最佳的CuCl2浓度，如图2C所示，本发明分别用0、2.5、5、10、20 和40μM的DPY与10、20和50μM的CuCl2协同作用HepG2细胞24h后，发现都能表现出良好的协同 作用，20μM的CuCl2与DPY共同作用细胞毒性梯度更明显，且单独的20μM的CuCl2对肿瘤细胞几乎无 毒性(图2A和B)，所以本发明选取20μM的CuCl2作为本发明的最佳浓度。
实施例2：铜离子依赖的细胞毒性的确证
本发明比较了20μM的CuCl2分别与DPY、DPH和DMe共同作用对不同肿瘤细胞的毒性。如图2A-F 所示，20μM的CuCl2分别与DPY、DPH和DMe共同作用HepG2细胞24h(图3A-C)或48h(图3D-F) 后，对细胞生长的抑制情况，本发明发现20μM的CuCl2与不同浓度的DPY共同作用，能很好地抑制HepG2 细胞的增殖，而且具有时间依赖性，当20μM的CuCl2与20μM的DPY作用HepG2细胞48h后，细胞几 乎完全死亡(图3D)，而单独的20μM的DPY作用48h对细胞的生长却几乎没有影响(图3D)，说明DPY 可能作为铜离子载体把铜带进了细胞内；而作为对照分子，DPH与20μM的CuCl2共同作用HepG2细胞 却不能杀死细胞(图3B和E)，因为DPH不能络合二价铜，故不能将Cu2+带进细胞。DMe作为巯基小分 子，其单独作用对细胞的生长几乎无影响，但是与20μM的CuCl2共同作用后，大浓度能明显地抑制细胞 生长(图3C和F)，说明DMe作为具有还原性的小分子巯基化合物可能与CuCl2在细胞培养环境下发生氧 化还原反应，生成对细胞具有毒副作用的Cu+，进而抑制细胞生长。为了进一步确认图3A-F的结果。
本发明利用HeLa细胞对以上结果进行了证实，20μM的CuCl2分别与DPY、DPH和DMe共同作用 HeLa细胞48h后，如图2G-I所示，单独20μM的DPY对HeLa细胞生长无影响，但当与20μM的CuCl2共同作用后，可以明显地抑制细胞生长(图3G)；而DPH与铜不能产生此作用，进一步证实了DPY作为 铜离子载体能把Cu2+带进了肿瘤细胞内而发挥作用。同样在肺癌细胞A549和肝癌细胞SMMC-7721上， 不同浓度的DPY也能与20μM的Cu2+产生协同毒性(图3J)。比较有意思的是，DPY与Cu2+协同对正常 细胞L02、BEAS-2B以及293T的细胞毒性却比肿瘤细胞较小(图3K)，说明二者共同作用可以选择性地 作用于肿瘤细胞。
本发明对MTT结果进行了验证，采用台盼蓝染色法对不同浓度的DPY与20μM的CuCl2共同作用 HepG2细胞48h后的结果进行了确认，当DPY与20μM的CuCl2共同作用细胞后，细胞毒性明显增强， 与前面MTT结果一致。
总体来说，单独的DPY和Cu2+几乎对细胞无毒性，但当二者共同作用后，会选择性地杀死肿瘤细胞， 而DPH却不能，说明DPY可能作为铜离子载体将Cu2+载入细胞内而发挥作用。
实施例1和2的具体操作方法如下：
MTT比色法，是一种检测细胞存活和生长的方法[7]。将每孔5×103至1×104个细胞(根据细胞种类 及作用时间选取不同细胞数)与试验药物种于96孔板中，每孔总体积为100μl，每个药物浓度平行4-6份， 使用0.1％的溶媒(一般是DMSO)作为对照，在5％CO2、95％湿度和37℃的培养条件下培养指定时间。 接着用多道移液枪向每孔加入10μl MTT(终浓度：5mg/ml)继续孵育4小时，MTT与活细胞线粒体中 的琥珀酸脱氢酶完全反应，生成蓝紫色结晶甲瓒，用多道移液枪向每孔加入100μl提取缓冲液(即三联溶 液含10％SDS、0.1％HCl及5％异丁醇)，继续过夜培养(一般在8-12小时之间)，使蓝紫色的甲瓒结晶 完全溶解，在570nm处测定吸光度值，对照组吸光度最好在0.8-1之间，按照：细胞存活率(％)＝(OD药物组－OD空白)/(OD对照－OD空白)×100，计算细胞存活率，最后根据药物作用浓度与细胞存活率作图，计 算出药物对细胞增殖抑制的IC50值。
Trypan blue染色法，将每孔5×104细胞种于24孔板中或者1×105细胞种于12孔板中，待细胞过夜 贴壁，加药物或其它试剂，0.1％的DMSO作为对照，在37℃继续孵育指定的时间[9,10]。若是贴壁细胞需 要用胰酶消化细胞，制备单细胞悬浮液，并根据细胞数的多少进行适当稀释；若是悬浮细胞(HL-60细胞)， 则可以直接稀释后用。将细胞用0.4％(重量/体积)的Trypan blue染色(具体比例为细胞悬液：0.4％Trypan blue溶液＝9:1，混合混匀)，细胞存活时，细胞胞膜结构完整，Trypan blue无法进入，不染色，而当细胞 失活时，细胞膜的通透性增强，Trypan blue易进入染成蓝色，在显微镜下计数活细胞(非染色，圆形透明 状)和死细胞(染色，蓝色)的数目。
实施例3：DPY与Cu2+新配合物的形成
为了确认DPY能作为铜离子载体，可以将Cu2+载入细胞。
本发明在细胞外环境对DPY和CuCl2进行单晶培养，以证实DPY和CuCl2确实能络合。我们将DPY 与CuCl2·2H2O以1:1的比例均匀地分散在CH3Cl3溶液中，制得暗绿色针状单晶，反应方程如图4A，通 过X单晶衍射仪分析结构如图4B，发现Cu2+与DPY以1:1的比例很好地络合。
实例3的操作方法：
配合物的生成，将DPY与CuCl2·2H2O以1:1的比例均匀地分散在CH3Cl3溶液中，发现溶液的颜色 由亮蓝色变成暗绿色，说明有化学反应发生，接着常温搅拌2h，过滤得饱和溶液，室温养单晶，一周后 发现暗绿色针状单晶，通过X单晶衍射仪分析结构。
晶体结构的测定，DPY与CuCl2的晶体数据是通过X-Ray晶体衍射仪(SuperNova(Dual))在低温(100 K)条件下由Cu/Mo Kα射线照射收集所得。晶胞参数通过观察到的设定角度和所选强反 射的探测器位置所优化，然后利用单晶结构解析软件Siemens SHELXTL PLUS program中的直接法确认晶 体结构[28]。使用非等热向热参数优化所有非氢原子，所有氢原子都使用固定等向的热参数并考虑空间几何 结构及结构因子等加以修饰。晶体参数如表1所示，CCDC 1484851包含本发明中DPY与CuCl2晶体的补 充数据。
表1 DPY与CuCl2单晶衍射数据
实施例4：细胞内Cu2+浓度的测定
为了确认DPY能作为铜离子载体，可以将Cu2+载入细胞。
本发明考察了DPY和CuCl2共同作用肿瘤细胞后细胞内的铜离子摄取量(Uptake)，假如DPY作为铜 离子载体，将Cu2+载入细胞，那么细胞内的Cu2+含量将会升高。我们分别设立了四组试验：空白对照组； 20μM CuCl2组；20μM CuCl2与20μM DPY共同作用组；20μMCuCl2与20μM DPH共同作用组。将以 上分组药物分别加入HepG2细胞，作用0、0.5、1、3、6、12、24和48h后，收集细胞定量，用电感耦合 等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)检测细胞内的铜离子含量变化，如图5A所示，与空白对照组、DPH 与Cu共同作用组、单独Cu组比较，DPY与Cu共同作用组随着作用时间的增加，细胞内的铜含量明显增 加，存在时间依赖性，24h几乎达到饱和，进一步说明了DPY可以把Cu2+带进细胞内，而且存在时间依 赖性。图4B和C分别是以上指定药物浓度作用HepG2和HeLa细胞24h后细胞内的铜离子含量变化图， 如图5B所示，对于HepG2而言，空白组(Control组)细胞内的铜含量为0.26±0.10，单独Cu组细胞内 的铜含量为0.92±0.31，DPH与Cu共同作用组细胞内的铜含量为1.18±0.14，而DPY与Cu共同作用组 细胞内的铜含量为13.59±0.93，结果明显比前面三组的数值高，同样的结果在HeLa细胞内也发生，如图5C所示，以上药物组对HeLa细胞作用24h后，结果显示DPY与Cu共同作用组细胞内的铜含量明显升 高，充分地说明了DPY作为Cu2+载体，可以将Cu2+载入细胞，从而使得细胞内的铜含量明显升高。
实例4的操作方法：
HepG2或HeLa细胞(1-3×106)一式三份种于100mm培养皿中过夜贴壁，加指定浓度的药物，作用 指定时间，收集细胞。一份用于蛋白定量；另外两份用于铜离子浓度检测：样品用浓硝酸溶解，用电感耦 合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)检测铜含量。
实施例5：细胞外DPY浓度增加，说明有新生成的DPY，能循环运载铜离子
本发明通过液相串联质谱(LC-MS/MS)法检测DPY与CuCl2共同作用HepG2细胞后培养基中DPY 浓度的变化，以考察释放Cu2+后新生成的DPY是否可以从细胞内转到细胞外液中去。用100μM的DPY 与20μM CuCl2共同作用HepG2细胞0、1、2、4、8、12和24h，检测培养基中的DPY浓度，如表2所 示，DPY在培养基中的浓度先降低后升高，说明DPY将Cu2+运载至细胞内，在细胞内巯基分子的作用下 释放出Cu2+，并发生一系列氧化还原反应，新生成的DPY又可以运转至细胞外液，通过循环的方式不断 地运载Cu2+。
该发明试剂巧妙地利用了DPY载体将铜离子载入细胞，释放铜离子的同时产生DMe分子，DMe在细 胞内的氧化条件下可以生产新的DPY，从而达到循环运载铜离子的目的。
表2不同时间点细胞外液中DPY浓度的变化
*,P<0.05vs.4h.
实例5的操作方法：
LC-MS/MS检测DPY浓度，配置0、0.5、1、2.5、5、10和25μg/ml的标准DPY系列作标准曲线， 得Y＝1.71x-2.16，R2＝0.9939。
将1×106个HepG2细胞种在60mm培养皿中，过夜贴壁(12h后)，加100μM的CuCl2与20μM的 DPY，分别于0、1、2、4、8、12、24、36和48h收集60μl培养基，每个点再补加60μl新培养基，用 LC-MS/MS检测不同时间点的DPY浓度，根据标准曲线定量。
Claims (5)
1.一种可再生的铜载体抗癌试剂，其特征在于可以将二价铜离子(Cu2+)运载至细胞内，在细胞内释放Cu2+，同时产生新的载体分子，继续循环地运载铜离子。
2.根据权利要求1所述，具体载体为DPY，能运载Cu2+进入细胞，释放Cu2+，同时产生DMe，DMe在细胞内氧化的条件下生成DPY，达到可再生、可循环运载铜离子的目的。
3.根据权利要求2所述，DPY与Cu2+在体外模拟产生的新配合物。
4.根据权利要求2所述的结构类似且能运载Cu2+的其它载体，若能在细胞内再生，继续运载Cu2+，所产生的应用。
5.根据权利要求1所述的一种可再生的铜载体抗癌试剂对四种癌细胞：人肝细胞癌细胞系HepG2和SMMC-7721，人宫颈癌细胞系HeLa细胞和人肺腺癌细胞A549的细胞毒性作用的应用。
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