韓 祎,李鳳林,羅志福

中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)綜合研究所,北京 102413

在中國,癌癥是僅次于心臟病的第二大致死原因,據(jù)統(tǒng)計,我國2022年452萬例病患死于癌癥[1],而與癌癥的斗爭中,盡早確診和高效治療至關(guān)重要。

硼中子俘獲治療(boron neutron capture therapy, BNCT)是Locher于 1936 年提出的一種二元癌癥治療方法[2],原理是10B暴露于熱中子束下發(fā)生中子俘獲反應(yīng)10B(n,α)7Li,放出具有殺傷作用的α粒子和7Li原子,并且這些粒子的射程在7～9 μm,與一個細(xì)胞直徑相近,實現(xiàn)一種高選擇性的精準(zhǔn)治療[3-6]。因此只有腫瘤組織選擇性對硼攜帶劑高攝取才能保證BNCT的治療效果。一般認(rèn)為,每個腫瘤細(xì)胞中要含109個10B原子或每克腫瘤組織中含20～50 μg10B[7],因此如何達(dá)到高硼攝取量是設(shè)計新型硼攜帶劑所面臨的挑戰(zhàn)性問題。

多肽能與腫瘤細(xì)胞中過度表達(dá)的受體或轉(zhuǎn)運(yùn)體結(jié)合,具有很高的親和力和選擇性,因此含硼多肽化合物不僅可以提高硼攜帶劑的載硼量,還可以增強(qiáng)腫瘤組織的特異性攝取量,且無免疫原性、靶向性強(qiáng),是新一代硼藥設(shè)計的關(guān)注熱點。自20世紀(jì)60年代首次發(fā)現(xiàn)碳硼烷以來,研究人員一直在利用碳硼烷尋找新的高效的癌癥治療方法[8-9]。盡管有許多關(guān)于含碳硼烷多肽類化合物的設(shè)計和實驗,然而迄今為止尚未有對已報道的含碳硼烷多肽衍生物進(jìn)行分類和分析的文章。本文對含碳硼烷的多肽衍生物進(jìn)行了總結(jié),希望可以為新一代的新型BNCT藥物研發(fā)提供思路,奠定基礎(chǔ)。

1 碳硼烷基本結(jié)構(gòu)性質(zhì)

碳硼烷(C2B10H12)首次發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)60年代,根據(jù)其構(gòu)型大致可以分為閉式碳硼烷、開式碳硼烷和蛛網(wǎng)式碳硼烷,根據(jù)碳原子和硼原子位置差異又可分為鄰碳硼烷(o-carborane)、間碳硼烷(m-carborane)和對碳硼烷(p-carborane)(圖1)。除了B-H鍵,頂點硼原子的價電子數(shù)為24,碳原子提供2個額外的電子,十三個分子軌道剛好滿足二十面體結(jié)構(gòu)所需,即是閉式的碳硼烷。各個頂點的原子的配位數(shù)均是6配位,有著三個中心兩個電子的化學(xué)鍵,故而屬于強(qiáng)缺電子結(jié)構(gòu),相鄰的鍵會縮短增加化合物的穩(wěn)定性[10]。由于碳硼烷具有高氧化性、熱穩(wěn)定性、疏水性和低毒性等獨特的化學(xué)和物理性質(zhì),廣泛應(yīng)用于設(shè)計具有靶向性的藥物分子當(dāng)中[11]。碳硼烷分子的引入可增加藥物在體內(nèi)的穩(wěn)定性和生物利用度,延緩體內(nèi)代謝時間[12]。此外,對這些簇中的每個碳或硼原子進(jìn)行選擇性化學(xué)替代,可以將它們用作剛性的三維支架,在其上構(gòu)建新的藥物分子。

圖1 碳硼烷三種構(gòu)型Fig.1 Three configurations of carborane

目前關(guān)于碳硼烷藥物化學(xué)的綜述主要分為兩類:第一類是設(shè)計靶向輸送硼到細(xì)胞中用于BNCT的試劑,第二類是催化劑等其他功能性材料。根據(jù)Web of Science數(shù)據(jù)庫,在過去5年的730篇關(guān)于硼中子俘獲治療的文章當(dāng)中有150篇是關(guān)于碳硼烷衍生物物理和生物性質(zhì)研究的文章,這為對碳硼烷衍生物深入研究與發(fā)展提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

2 含碳硼烷多肽衍生物發(fā)展

多肽是參與生物體代謝的必需物質(zhì),是設(shè)計生物制劑的基礎(chǔ),分子中天然肽片段的存在有利于增加腫瘤部位對藥物的特異性攝取。含硼多肽的應(yīng)用使BNCT在癌癥治療上有了重大進(jìn)展[13-16]。第二代BNCT重要制劑之一是硼苯丙氨酸(boronophenylalanine, BPA)(圖2),它是Snyder等[17]1958年獲得的天然酪氨酸類似物(圖2)。以BPA為基礎(chǔ)合成了許多分子中含有一個硼原子的天然氨基酸的衍生物[18-25],以及基于它們的多肽衍生物[26-27],作為潛在的硼攜帶劑進(jìn)行生物實驗。在過去的50年里,碳硼烷氨基酸的制備取得了顯著的進(jìn)展,近年來主要關(guān)注的是含碳硼烷多肽的合成,以及含有碳硼烷片段和釓離子的化合物的合成。

圖2 硼苯丙氨酸的結(jié)構(gòu)[17]Fig.2 Configurations of BPA[17]

Takagaki等[28]早期合成了含有2或3個氨基酸的含碳硼烷多肽衍生物(圖3(a)),實驗發(fā)現(xiàn)該化合物顯示出良好的腫瘤攝取率和低毒性,中子照射后細(xì)胞存活率下降90%。此外,Esther等[29]合成潛在硼攜帶劑含碳硼烷環(huán)肽衍生物(圖3(b)),該環(huán)肽是生長抑素的受體易被腫瘤細(xì)胞內(nèi)化。其他腫瘤細(xì)胞過表達(dá)的多肽配體也被應(yīng)用于潛在硼攜帶劑設(shè)計合成中,以提高腫瘤細(xì)胞10B的攝取率,如整合素αvβ3、神經(jīng)肽Y和表皮生長因子受體(EGFR)。碳硼烷與功能性多肽偶合大大提高了硼攜帶劑的靶向性以及腫瘤細(xì)胞含硼量。

圖3 早期含碳硼烷多肽衍生物[29]Fig.3 Early carborane peptides derivatives[29]

碳硼烷殘基的存在導(dǎo)致肽分子疏水性顯著增加,在共軛結(jié)構(gòu)中引入半乳糖殘基,可以補(bǔ)償這種影響,提高含碳硼烷多肽衍生物在水中的溶解度,水溶性高有益于生物體吸收、增加藥效、改善藥物在體內(nèi)的藥動學(xué)特性。Dennis等[30]以9-叔丁基硫代-間碳硼烷為基礎(chǔ)合成了含有一個或兩個脫氧半乳糖殘基的間碳硼烷衍生物(圖4(a)、(b)),并在其基礎(chǔ)上合成了一組含有多達(dá)120個硼原子的神經(jīng)肽Y類似物(圖4(c)),生物實驗證明該衍生物不僅有較好的水溶性、載硼量高,并且和人類神經(jīng)肽Y1受體(human Y1 receptors, hY1R)親和力極高。

圖4 含脫氧半乳糖殘基的間碳硼烷衍生物[30]Fig.4 m-carborane derivatives containing deoxygalactose residues[30]

近十年來,含碳硼烷多肽的制備引起了廣泛的重視,取得了巨大的進(jìn)步。碳硼烷基通常偶聯(lián)到多肽末端氨基或多官能氨基酸(主要是賴氨酸)側(cè)鏈中的官能團(tuán),以及將碳硼烷基硫醇加成到含有馬來酰亞胺片段的多肽衍生物中。將碳硼烷殘基引入治療性肽的結(jié)構(gòu)中不僅是研發(fā)新一代硼攜帶劑的新方向,也是改變多肽藥代動力學(xué)參數(shù)以及提高藥物靶向性的有力工具。

3 含碳硼烷多肽類化合物分類

3.1 神經(jīng)肽Y衍生物

神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y, NPY)是胰多肽家族的成員,由36個氨基酸組成,氨基酸序列為 [H-YPSKPDNPGEDAPAEDLARYYSALRHYINLITRQRY-NH2],它是腦中最豐富的神經(jīng)肽之一,常被用作硼選擇性進(jìn)入腫瘤細(xì)胞的載體[31]。修飾NPY衍生物中的肽序列方法之一是(鄰碳硼烷-9-基)巰基乙酸通過與賴氨酸殘基4、18和22位的ε-氨基偶聯(lián),從而得到帶有30個硼原子的[K4,18,22,F7,P34]-NPY肽5-a(圖5(a))[32],另一種修飾[F7,P34]-NPY肽4、18和22位賴氨酸基團(tuán)的方法是引入含有兩個間碳硼烷殘基的巰基乙酸合成衍生物5-b(圖5(b))[33]。生物實驗表明該類型多肽衍生物可以作為潛在硼攜帶劑被腫瘤細(xì)胞高選擇性地攝取,并且在血漿中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定未發(fā)現(xiàn)細(xì)胞毒性。

圖5 含間碳硼烷神經(jīng)肽Y衍生物[33]Fig.5 Neuropeptide Y derivative containing m-carborane[33]

(a)——Tyr3-奧曲肽,(b)——4-鄰碳硼烷-1-基丁酸,(c)——Tyr3-奧曲肽衍生物圖6 Tyr3-奧曲肽含硼衍生物[30]Fig.6 Tyr3-octreic conjugates contains boron derivatives[30]

3.2 Tyr3-奧曲肽衍生物

眾所周知,大多數(shù)腫瘤細(xì)胞生長抑素受體過度表達(dá)[34]。因此靶向生長抑素受體的方法廣泛應(yīng)用于治療癌癥藥物的開發(fā)中[34-35]。Tyr3-奧曲肽(H-D-Phe-cyclo[Cys-Tyr-D-Trp-Lys-Thr-OH])(圖6(a))是對生長抑素受體亞型具有高親和力的生長抑素類似物。Esther等[29]將閉合型碳硼烷與5-乙炔酸甲酯加成得到4-鄰碳硼烷-1-基丁酸(圖6(b)),再與生長抑制素類似物偶聯(lián)得到Tyr3-奧曲肽衍生物(圖6(c))。由于生長抑素在幾種神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)腫瘤的細(xì)胞表面過表達(dá),實驗發(fā)現(xiàn)含碳硼烷Tyr3-奧曲肽衍生物易被腫瘤細(xì)胞內(nèi)化且無細(xì)胞毒性,腫瘤組織對Tyr3-奧曲肽衍生物的攝取量增加了約10倍,極大提高了腫瘤中的硼含量。

3.3 RGD多肽衍生物

整合素αvβ3在血管生成中有著重要作用,在正常組織和血管內(nèi)皮細(xì)胞不表達(dá)或者低表達(dá),但是在腫瘤新生成血管內(nèi)皮細(xì)胞以及某些腫瘤細(xì)胞表面上過表達(dá)。RGD肽(Arg-Gly-Asp,RGD),1984年由Pierschbacher和Ruosluherici[36]首次報道發(fā)現(xiàn),可以優(yōu)先與整合素αvβ3結(jié)合,因此RGD肽及其衍生物被廣泛用于腫瘤靶向治療和診斷藥物的輸送[37-39]。

在RGD肽的含硼衍生物中,化合物7-a(圖7(a))被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿τ糜贐NCT的硼攜帶劑[40-41]。在體外和體內(nèi)實驗中,化合物7-a結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無細(xì)胞毒性并且明顯在腫瘤細(xì)胞內(nèi)大量積累,與硫基十二硼烷二鈉鹽(sodiumborocaptate, BSH)相比,化合物7-a在體內(nèi)滯留時間更長[40]。注射化合物7-a加中子照射治療后發(fā)現(xiàn)顯著地抑制了SCC VII鱗狀細(xì)胞癌的生長,并且在乏氧腫瘤部位硼攝取量較高[41]。Masunaga等[42]合成含鄰碳硼烷偶合環(huán)肽c(RGDfK)的馬來酰亞胺肽衍生物(化合物7-b,圖7(b))。由于碳硼烷片段的存在,其能夠與β-環(huán)糊精(βCD)形成強(qiáng)的主客體配合物。同時環(huán)RGD肽保留了對整合素受體的親和力,這使得偶合物馬來酰亞胺肽衍生物可以與C2C12小鼠成肌細(xì)胞的結(jié)合率更高、結(jié)合力更強(qiáng)。

圖7 含鄰碳硼烷的環(huán)肽衍生物[42]Fig.7 o-carborane-containing derivatives with cyclic peptide c(RGDfK)[42]

3.4 其他多肽衍生物

胸腺素β4(Tβ4)是一種具有多效活性的治療肽,可促進(jìn)損傷組織的愈合和再生,在腫瘤中高表達(dá),研究發(fā)現(xiàn)將陰離子硼簇化合物引入胸腺素β4(Tβ4)的結(jié)構(gòu)中[43],得到的偶聯(lián)物在pH=6.4時穩(wěn)定,在pH=8.0時易于水解,形成原生Tβ4。已經(jīng)證明,含有一個或兩個雙鈷(1,2-二羧酸)殘基的Tβ4肽偶聯(lián)物保留了Tβ4對心肌細(xì)胞(H9C2細(xì)胞系)的促生存活性,并且在血液循環(huán)中與白蛋白形成復(fù)合物可保護(hù)多肽免受蛋白水解降解和腎臟清除,從而延長滯留率改善其半衰期和系統(tǒng)療效[44-45]。最近,Fink等[46]發(fā)現(xiàn)在Tβ4分子中心肌動蛋白結(jié)合域附近引入雙鈷(1,2-二羧酸)片段化合物(圖8)可增強(qiáng)參與傷口愈合的細(xì)胞(如內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞)的遷移活性,且對H9C2細(xì)胞系無細(xì)胞毒性,是潛在硼攜帶劑。

圖8 胸腺素Tβ4肽含硼衍生物[46]Fig.8 Tβ4 contains boron derivatives[46]

最近,研究人員在以1-羧基間碳硼烷和1-羧基對碳硼烷為基礎(chǔ)固相合成多肽QTAIGVGAP偶聯(lián)物(圖9)[47]過程中,通過建立一個有效的程序偶合碳硼烷與多肽固體載體發(fā)現(xiàn)1-羧基間碳硼烷與氨基的偶聯(lián)優(yōu)于羥基或巰基,這種效應(yīng)可用于產(chǎn)生具有微調(diào)性質(zhì)的非天然脂肽,并且反相高效液相色譜(HPLC)結(jié)果發(fā)現(xiàn),碳硼烷殘基的引入顯著增加了多肽衍生物的疏水性,雖然無生物毒性但是靶向性不高,達(dá)不到較好的腫瘤和正常組織硼攝取量比值(T/N值),不適合做硼攜帶劑。但是如果用具有靶向性的多肽取締該固相合成多肽模型,可高效提高產(chǎn)率的同時解決了靶向性的問題,可作為新型硼攜帶劑的設(shè)計方向。

圖9 1-羧基間碳硼烷和1-羧基對碳硼烷與多肽QTAIGVGAP衍生物[47]Fig.9 m- and p-carborane-containing peptide QTAIGVGAP conjugates[47]

Yin等[48]使用N-(2-氯乙?；?-(S)-碳硼酰丙氨酸氰乙酯和起始氨基?；?合成大環(huán)肽10-a和10-b(圖10)。實驗證明大環(huán)肽表現(xiàn)出對人體表面生長因子受體(hEGFR)更高的親和力且未表現(xiàn)細(xì)胞毒性,因此該類型硼肽能夠選擇性地聚集在hEGFR高表達(dá)的HEK293細(xì)胞表面。

圖10 含硼大環(huán)肽[48]Fig.10 Boron-containing macrocyclic peptide[48]

最近基于多肽sBB2L鈴蟾肽的類似物,一種選擇性胃泌素釋放肽受體(GRPR)激動劑,設(shè)計了一些潛在的硼攜帶劑[49](圖11)?；衔?1-a和11-b是含有80個硼原子和16個親水性的半乳糖殘基的含硼多肽衍生物,在水中具有很好的溶解度,對GRPR具有較高的親和力。體外實驗表明,化合物11-a和11-b能被高表達(dá)GRPR的PC3前列腺癌細(xì)胞選擇性攝取,且不表現(xiàn)出內(nèi)在的細(xì)胞毒性。研究發(fā)現(xiàn)HepG2肝細(xì)胞幾乎不攝取含有16個L型半乳糖殘基的偶聯(lián)物11-b,而對D氨基半乳糖化合物11-a選擇性大量攝取,因此研究人員認(rèn)為化合物11-b是更具發(fā)展?jié)摿Φ腂NCT硼攜帶劑[49]。

圖11 多肽sBB2L與半乳糖基化(間碳硼烷-9-基)巰基乙酸的衍生物[49]Fig.11 Peptide sBB2L conjugates with galactosylated(m-carboran-9-yl) mercaptoacetic acid[49]

4 總 結(jié)

迄今為止含硼的多肽衍生物的設(shè)計已經(jīng)取得了許多進(jìn)展,其中含碳硼烷的殘基不僅被認(rèn)為是一種簡單的含硼取代基,而且被認(rèn)為是一種在籠的不同頂點帶有氨基和羧基的穩(wěn)定多面體骨架,其特殊的構(gòu)型拓寬了含碳硼烷多肽衍生物的應(yīng)用。對碳硼烷多肽衍生物的各種生物學(xué)靶向作用研究開始于20世紀(jì)70～80年代,根據(jù)最近對神經(jīng)肽Y、胸腺素和其它肽的含硼衍生物的生物學(xué)活性的研究發(fā)現(xiàn),通常將閉合型碳硼烷殘基引入肽的結(jié)構(gòu)中會導(dǎo)致其理化、藥代動力學(xué)和藥效學(xué)特性發(fā)生相當(dāng)大的變化。硼簇的加入會導(dǎo)致分子親脂性顯著增加,水溶性降低,因此研究人員引入單糖和多元醇?xì)埢鶃碓黾铀苄?提高生物體吸收。如何使多肽衍生物盡可能進(jìn)入細(xì)胞,提高腫瘤細(xì)胞含硼量是含碳硼烷多肽衍生物發(fā)展的關(guān)鍵,因此新型靶向性多肽的多功能設(shè)計是將來含碳硼烷多肽衍生物的研究重點。

從20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在,含碳硼烷的多肽衍生物一直有望作為新型硼攜帶劑應(yīng)用于癌癥治療當(dāng)中。碳硼烷的多肽衍生物載硼量高并且多肽對相應(yīng)受體具有極高的親和力,大大增加了硼攜帶劑的靶向性和腫瘤硼含量,是第三代硼攜帶劑的研究熱點之一。本文通過對近年來已發(fā)表的含硼多肽化合物分類總結(jié),發(fā)現(xiàn)含硼RGD、生長抑素、神經(jīng)肽Y等多肽類衍生物作為靶向腫瘤細(xì)胞的硼攜帶劑具有很大的發(fā)展前景,有望為新型硼攜帶劑的發(fā)展帶來新的突破。