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新虫 (著名写手)

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[交流] 抗肿瘤活性的新型高效细胞穿膜肽[Cys-CPT2,9 ] penetratin 的设计及活性评价

摘要:  本文将半胱氨酸-喜树碱 (Cys-camptothecin, Cys-CPT) 引进 penetratin第2、9位,  合成新型穿膜肽类似物 [Cys-CPT2,9] penetratin,  旨在探索一条具有强穿膜活性且具有抗肿瘤活性的新型细胞穿膜肽。通过激光共聚焦实验和流式细胞术观察 [Cys-CPT2,9] penetratin在HeLa 细胞中荧光摄取情况,  使用不同内吞抑制剂研究 [Cys-CPT2,9]  penetratin 的细胞摄取机制,  最后通过MTT实验测试[Cys-CPT2,9]penetratin 抗肿瘤活性。在激光共聚焦及流式细胞术实验中显示 [Cys-CPT2,9] penetratin 的穿膜活性显著增强,  它的胞内荧光强度比 penetratin 明显提高5倍。而对于 [Cys-CPT2,9]  penetratin的细胞摄取机制,  它主要通过网格蛋白和巨胞饮内吞途径进入细胞内。[Cys-CPT2,9] penetratin 对HeLa细胞具有抗肿瘤活性,  并强于抗肿瘤药物喜树碱，结果说明,  [Cys-CPT2,9] penetratin 是一个新的高膜转导活性的细胞穿膜肽,  同时对HeLa细胞具有抗肿瘤活性。
在正常的人类生命活动中,  基因的选择性剪切会表达不同功能的蛋白分子来参与人体正常的生理代谢过程。当基因的剪切出现紊乱时,  会产生异常的表达产物,  它们可能会影响正常的生理过程,  甚至导致疾病的发生[1, 2] 。目前全世界每年有大约700~ 1 000 万人死于癌症,因此癌症是一个巨大的医学挑战[3,  4] 。而它的产生和发展与许多癌症相关基因 BCL-X、MDM2和FGFR1等过表达密切关联[5, 6]。在癌症治疗中,  许多化疗药物和几乎全部生物大分子药物由于难以透过细胞膜限制了抗肿瘤作用的发挥。因此,  发展促使这些药物被细胞摄取的策略变得尤为重要[7]。
细胞穿膜肽 (CPPs)  作为一种由 5～30氨基酸组成的短肽,  是非常有潜力的药物递送载体之一[8] 。它能够递送各种大分子药物穿透细胞膜进入细胞内且不影响它们的生物活性[9−11]。因此,  作者希望以CPPs作为模板设计出高效的非病毒载体。Penetratin来源于果蝇触角蛋白同源结构域,  是一条两亲性的穿膜肽;  因为它具有较好的穿膜效应被作为一个潜在药物载体用于各种目的[12−14]。Penetratin序列中的阳离子氨基酸精氨酸 (Arg)  和赖氨酸 (Lys)  是发挥穿膜活性的不可替代的位点,  如果对它们进行替换或改造会降低穿膜效应[15] 。而序列中的色氨酸 (Trp) 、苯丙氨酸 (Phe)  和异亮氨酸 (Ile) 为疏水性氨基酸, 可以促进肽与细胞膜脂质的相互作用[16−18] 。因此, penetratin具有穿膜特性和两亲性,  使它可作为设计新型非病毒载体的潜在模板。
在本研究中,  以 penetratin作为设计的母肽,  将它的2位和9位的氨基酸替换为半胱氨酸−喜树碱(Cys-camptothecin,  Cys-CPT)以增加 penetratin的两亲性, 旨在提高其穿膜效率的同时也使它具有一定的抗肿瘤效应,  最后得到了肽[Cys-CPT2,9]  penetratin (图 1),  作为新型载体用于肿瘤基因治疗。
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材料与方法
实验材料与仪器 RPMI- 1640 培养基和胎牛血清 (fetal bovine serum, FBS)  购自Gibco公司;  新生牛血清 (newborn  bovine  serums,  NBS) 购自杭州四季青生物工程材料有限公司;  噻唑蓝[3-(4,5-dimethyl-2-  thiazolyl)-2,5-diphenyl-2-H-tetrazolium bromide, MTT]、头孢哌酮 (cefoperazone,  CPZ) 、异丙基阿米洛利 [5-(N-ethyl-N-isopropyl) amiloride, EIPA] 、甲基-β-环糊精 (methyl-beta-cyclodextrin,  MβCD)  和 CPT 均购自 Sigma-Aldrich 公司;  异硫氰酸荧光素 (fluorescein  isothiocyanate,  FITC)  购自苏州亚科化学试剂有限公司。全自动酶标仪 (Bio-Rad 公司);  激光共聚焦显微镜 (Zessie 公司);  流式细胞仪 (Becton Dickinson 公司)。
Penetratin 和[Cys-CPT2,9]  penetratin 肽的合成选择的方法为采用经典的多肽固相合成法合成。采用 MBHA 树脂 (取代值为 0.54 mmol · g− 1) 合成,  表 1 中所述肽序列。其中荧光素 FITC 通过连接子六氨基己酸 (6-aminocaproic acid, AHX) 连接在肽链的氮末端,  而[Cys-CPT2,9] penetratin 的合成是在主链[Cys2,9] penetratin 的合成后,  通过二硫键连接反应将CPT偶联到[Cys2,9] penetratin 的第 2、9 位半胱氨酸的侧链巯基基团上。最后经 RP-HPLC 纯化和 ESI-MS 质谱鉴定后的目标肽[19],  用于后续实验。
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细胞培养 HeLa 细胞 (人宫颈癌细胞,  上海中国科学院细胞库)  用灭活小牛血清NBS与RPMI- 1640培养基配成10% 小牛血清培养基培养细胞,  培养基中含硫酸链霉素 (100  mg ·mL− 1) 和青霉素G钠盐 (100 u ·mL− 1)  以避免细胞污染。细胞株培养在37 ℃、5% CO2 无菌细胞培养箱中。
FITC摄取实验 HeLa细胞以每皿 4× 104个接种于玻璃底的培养小皿内,  37 ℃ 、5%  CO2 培养箱中孵育24h 。然后在皿中加入无血清 RPMI- 1640 培养液配制的FITC-penetratin 、FITC-[Cys2,9]  penetratin 和 FITC-[Cys-CPT2,9]  penetratin,  浓度为2μmol ·L− 1, 培养箱中孵育 30  min 。再用pH7.4磷酸盐缓冲液 (phosphate buffer solution, PBS)  洗涤细胞 3 次,  最后在激光共聚焦显微镜下观察细胞内 FITC的荧光强度,  激发波长为 488 nm。
CPT 内化实验 HeLa细胞以每皿 4× 104 个接种于玻璃底的培养皿内,  在培养箱内培养24h,  然后在皿中加入 2 μmol ·L− 1  CPT、[Cys-CPT2,9] penetratin,  放置于培养箱内孵育 30 min,  用 PBS 清洗细胞 3 次,  最后通过激光共聚焦在405 nm 波长下观察细胞内的蓝色荧光强度 (CPT 荧光)。
流式细胞仪检测实验 HeLa细胞以每孔 2× 105 个接种于12孔板中,  培养 24 h 后,  用 PBS 洗涤细胞3次,  然后将无血清 RPMI-1640培养液配制的不同浓度 (1、2 和 5 μmol ·L− 1) 的FITC-penetratin、FITC- [Cys-CPT2,9] penetratin 溶液加入到培养板孔内,  与细胞共孵育30 min,  再用胰酶消化并收集细胞,  用预冷的PBS清洗样品 3 次,  最后加入PBS 500 μL 重悬细胞,  流式细胞仪检测荧光强度,  激发波长488 nm。
为了进一步证实FITC-[Cys-CPT2,9]  penetratin 的穿膜效率,  选择被广泛研究证实穿膜活性强的穿膜肽 Transportan 10 (TP10)  作为阳性对照,  对 FITC-penetratin、FITC-[Cys2,9] penetratin、FITC-[Cys-CPT2,9]- penetratin 和 FITC-TP10 的穿膜效率进行分析和比较, 浓度设为 2 μmol ·L− 1。
细胞摄取的机制研究  为了研究 penetratin 与 [Cys-CPT2,9] penetratin 的细胞摄取机制,  采用不同内吞抑制剂探究它们对肽穿膜效率的影响作用。HeLa 细胞以每孔 2× 105 个接种于12孔板,  培养箱中培养24h备用。先用PBS 洗涤细胞 3 次后,  在小孔内加入无血清 RPMI- 1640培养液配制的不同抑制剂溶液 (10 μg ·mL− 1网格蛋白介导型内吞抑制剂 CPZ、50 μmol ·L− 1巨胞饮型内吞抑制剂 EIPA 和5  mmol ·L− 1小窝蛋白介导型内吞抑制剂 MβCD),  预处理30min, 然后在样品孔内分别加10 μmol ·L−1 FITC-penetratin和2μmol ·L− 1  FITC-[Cys-CPT2,9]  penetratin  继续共孵育30 min。最后,  将收集到的细胞在流式细胞仪中测定荧光强度。实验中只加FITC-penetratin和FITC- [Cys-CPT2,9] penetratin 的样品作为空白对照。
肽对肿瘤细胞增殖的影响  HeLa细胞以每孔 5 × 103 个接种于96 孔微板中培养24 h。将无血清RPMI-1640 培养液配制的 CPT、penetratin、[Cys2,9] penetratin、[Cys-CPT2,9]  penetratin 溶液 (0.3125 、0.625 、1.25 、2.5和5 μmol ·L− 1) 分别加入到培养孔内, 孵育30 min后用PBS 清洗细胞,  然后加入含5%NBS的新培养液 180 μL,  继续培养 72 h 后,  每孔加入MTT 溶液 (5.0  g ·L− 1) 20  μL,  继续孵育4 h,  最后吸取上清,  每孔加入DMSO 溶液150 μL,  微板器上震动 5 min 后,  用酶标仪在 570  nm  处测定吸光度值 (OD)。细胞存活率 (%) =OD 药物组 / ODcontrol × 100;  另外采用同样处理方法考察以每孔 1× 104 个接种于96孔板的HeLa 细胞在 CPT、penetratin、[Cys2,9] penetratin和[Cys-CPT2,9] penetratin  (1 、2 、5 、10 和 20 μmol ·L− 1) 作用1h后的存活率。
结果
1 细胞摄取
当 FITC 标记的 penetratin 系列肽与 HeLa 细胞共孵育 30  min 后,  在激光共聚焦下能检测到它们在细胞内的绿色荧光。但在同一浓度下,  发现[Cys-CPT2,9] penetratin 组的细胞内荧光强度明显高于 penetratin 和 [Cys2,9]  penetratin  组, 结果显示较多的[Cys-CPT2,9] penetratin 被摄入细胞内 (图 2A)。说明改造后的[Cys- CPT2,9] penetratin 的穿膜能力明显高于 penetratin。
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流式细胞术实验对 FITC-penetratin、FITC-[Cys2,9] penetratin、FITC-[Cys-CPT2,9] penetratin 和 FITC-TP10 的细胞摄取水平进行了直观的比较。从图 2B  可见, FITC-[Cys-CPT2,9]  penetratin  的荧光强度高于 FITC- penetratin、FITC-[Cys2,9] penetratin 约 5 倍,  此结果与激光共聚焦的结果一致,  显示[Cys-CPT2,9]  penetratin 具有更高的穿膜能力。[Cys-CPT2,9] penetratin 的穿膜能力与阳性对照药 TP10 相近。通过细胞摄取实验证实,  将 Cys-CPT 与 penetratin 第 2,9 位氨基酸替换后得到的[Cys-CPT2,9]  penetratin  具有明显优于母体的穿膜能力。
2 [Cys-CPT2,9] penetratin 细胞摄取的量效关系
对 penetratin 和[Cys-CPT2,9]penetratin 细胞摄取进行更深入的量效关系研究。如图 3 所示,  当HeLa胞与不同浓度的 FITC-penetratin 和 FITC-[Cys-CPT2,9] penetratin 共孵育30min 后,  流式细胞仪检测发现两个肽作用后胞内荧光强度均随浓度的增加而增加,  而各个浓度下 FITC-penetratin 的荧光强度均低于相同浓度 FITC-[Cys-CPT2,9] penetratin 的荧光强度,  且 FITC- penetratin 的浓度增加到 5μmol ·L− 1 时,  它的细胞的荧光强度且略低于1 μmol ·L− 1时FITC-[Cys-CPT2,9] penetratin 所对应的荧光强度。
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3 [Cys-CPT2,9] penetratin 的细胞摄取机制
不同内吞抑制剂 (网格蛋白介导型内吞抑制剂 CPZ 、小窝蛋白介导型内吞抑制剂 MβCD 、巨胞饮内吞抑制剂 EIPA)  对[Cys-CPT2,9]  penetratin  细胞摄取的影响[20] 。如图 4A 所示,  在母肽 penetratin 处理组中,  发现 3 种内吞抑制剂 CPZ 、MβCD 和 EIPA 均可明显降低它的细胞摄取,  其中各个抑制剂作用后对应的细胞摄取水平是 penetratin 对照组的 73% 、66% 和 56%;  在图 4B 中, HeLa 细胞经 CPZ 和 EIPA 预处理后,  [Cys-CPT2,9] penetratin 的细胞摄取率明显降低至43. 1% 和 82%,  但MβCD 处理组的细胞摄取率与对照组一致,  没有表现出细胞摄取抑制作用。结果表明,[Cys-CPT2,9]  penetratin  的细胞摄取机制主要是经由网格蛋白、巨胞饮内吞通路内化进细胞的,  不经过细胞膜穴样内陷过程,  与 penetratin 进入细胞途径略有不同。
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4    [Cys-CPT2,9]  penetratin  诱导的细胞内CPT摄取量
为了考察 [Cys-CPT2,9] penetratin大量进入细胞时,  是否将CPT一起带入细胞内,  从而发挥抗肿瘤活性,  利用激光共聚焦对CPT 内化情况进行直观分析。如图5所示,  在CPT的激发波下CPT 和 [Cys- CPT2,9]  penetratin 组细胞内均能检测到蓝色荧光,  显示 [Cys-CPT2,9]  penetratin  导入细胞的同时自身所携带的 CPT 随之进入细胞内,  具有一定的抗肿瘤效应。
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5 [Cys-CPT2,9] penetratin 的抗肿瘤活性
为了进一步证明[Cys-CPT2,9]  penetratin 抗肿瘤活性,  采用MTT 法探讨 [Cys-CPT2,9] penetratin 对HeLa作用不同时间后细胞的存活率状态。在[Cys-CPT2,9]  penetratin作用下,  细胞存活率表现出浓度依赖性,  对 HeLa 细胞的增殖具有抑制作用,  且抑制活性高于CPT组 (图 6A),  而 penetratin 和[Cys2,9] penetratin 对 HeLa 细胞的增殖未产生任何影响。在图 6B 中, [Cys-  CPT2,9] penetratin 在短时间内也能抑制肿瘤细胞增殖, CPT 对 HeLa 细胞未产生明显的杀伤作用,  进一步印证了[Cys-CPT2,9] penetratin具有高穿膜活性的同时也具有抗肿瘤活性。
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讨论
在 CPPs 的二级结构图中,  序列中的极性基团集中分布于结构一侧,  而非极性基团集中分布于另一侧,  从而形成双亲性的肽结构。肽的两亲性在它的穿膜活性中发挥着非常重要的作用,  因此,  对CPPs 进行两亲性设计改造成为开发新型高效穿膜肽的策略之一[21−23]。本研究选择 penetratin 作为母肽, 在不改变序列中碱性氨基酸及芳香性、疏水性氨基酸等关键基团的前提下,  将2位Gln和9位Asn替换为疏水性基团 Cys-CPT 以期扩大母肽的疏水结构区域, 目的在于增加penetratin的双亲性,  进而得到更有潜力的穿膜肽[Cys-CPT2,9] penetratin。在激光共聚焦结果中,  [Cys-CPT2,9]  penetratin 被摄入细胞内更多,  显示它的穿膜活性明显高于 penetratin,  表明penetratin 的双亲性增加后促进了穿膜肽与细胞膜之间的相互作用,  使更多的肽被细胞内化。同时流式数据也进一步证实了此结论, [Cys-CPT2,9] penetratin 具有更高的穿膜活性,  而比较 penetratin与[Cys-CPT2,9] penetratin量化结果发现, [Cys-CPT2,9] penetratin 的荧光强度比 penetratin高5倍,  凸显它的穿膜优势。
基于 [Cys-CPT2,9] penetratin具有较好的穿膜活性, 作者对它的穿膜机制进行了探索。目前普遍认可CPPs的穿膜机制是细胞内化过程[24, 25],  所以使用网格蛋白介导型内吞抑制剂、小窝蛋白介导型内吞抑制剂和巨胞饮型内吞抑制剂探究 [Cys-CPT2,9] penetratin 细胞摄取机制[18] 。结果显示,  抑制剂CPZ、EIPA 均能降低 [Cys-CPT2,9] penetratin 的细胞摄取率,  这与penetratin摄取机制一致[13,  16] 。但是,  [Cys-CPT2,9] penetratin的摄取过程中小窝蛋白未发挥作用,  这与 penetratin摄取机制有所不同,  可能是因为引入CPT基团影响了小窝蛋白介导的内吞作用[26, 27]。由此认为 [Cys-CPT2,9] penetratin  的细胞摄取机制是首先通过静电作用与细胞膜结合,  然后通过疏水性作用与膜脂质结合,  最后由网格蛋白、巨胞饮介导的内吞途径进入到细胞内。
由激光共聚焦实验可见,  CPT随[Cys-CPT2,9] penetratin被细胞摄取, 抗肿瘤活性实验也显示 [Cys- CPT2,9] penetratin具有抗肿瘤活性,  且比 CPT抑制癌细胞作用更强,  表明[Cys-CPT2,9] penetratin 中引入Cys-CPT 基团不仅具有更好的穿膜活性,  也有抗肿瘤活性, 此结果与作者设计理念一致。高穿膜活性和抗肿瘤活性的 [Cys-CPT2,9] penetratin  在临床应用中具有更大优势:  高效穿膜活性使 [Cys-CPT2,9] penetratin 可开发成潜在的药物载体,  克服CPT在肿瘤治疗中难以通透细胞膜和胞内转运问题;  携带的CPT也通过凋亡通路诱使癌细胞死亡[28, 29] 。两者通过协同作用来增强治疗药物的抗肿瘤活性,  同时也降低了化学药物的给药剂量,  有利于降低药物的毒副作用及肿瘤耐受现象出现的几率。总之,  新型高效穿膜肽 [Cys-CPT2,9] penetratin的发现对后续肿瘤治疗方案的研究和发展提供了前期基础。
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