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        LZ-106誘導(dǎo)人肺癌NCI-H2228細(xì)胞凋亡的研究

        2024-03-26 06:58:04蒙飛顧萬建
        現(xiàn)代藥物與臨床 2024年3期
        關(guān)鍵詞:阿來構(gòu)象激酶

        蒙飛,顧萬建

        江蘇省中醫(yī)院 南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 檢驗(yàn)科,江蘇 南京 210029

        肺癌是當(dāng)今世界上最常見的惡性腫瘤之一,也是排名第1位的腫瘤死因。非小細(xì)胞肺癌是鱗癌、腺癌和大細(xì)胞癌3種組織分型的總稱,約占肺癌發(fā)生病例的85%,大多數(shù)患者確診時(shí)已是晚期失去手術(shù)機(jī)會(huì),整體5年生存率僅20%[1]。近年來靶向治療因效率高、不良反應(yīng)低而成為肺癌熱門的研究領(lǐng)域及治療方式,靶向生物標(biāo)記物的開發(fā)及臨床檢測(cè)、靶向藥物的研究和發(fā)展以及評(píng)估靶向抑制劑療效的臨床前/臨床研究取得了顯著進(jìn)展[2]。在非吸煙肺癌中常見的驅(qū)動(dòng)突變間變性淋巴瘤激酶(ALK)占非小細(xì)胞肺癌患者的5%~7%,其異?;罨缁蛲蛔?、重排及擴(kuò)增可激活下游的蛋白激酶B(Akt)、蛋白酪氨酸激酶(JAK)/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及激活轉(zhuǎn)錄因子(STAT)、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)1/2等信號(hào)通路,從而導(dǎo)致細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化,是非小細(xì)胞肺癌等腫瘤的致癌驅(qū)動(dòng)突變基因[3]。針對(duì)該靶點(diǎn)的抑制劑研究已是當(dāng)前抗腫瘤藥物研究領(lǐng)域的熱門方向。最先上市的是輝瑞制藥公司開發(fā)的克唑替尼,在ALK陽性的晚期非小細(xì)胞肺癌治療中取得了良好的療效。但其嚴(yán)重的不良反應(yīng)也逐漸引起人們的重視,如難透過血腦屏障阻礙了其在轉(zhuǎn)移患者中的療效,易原發(fā)及繼發(fā)性耐藥,心率不齊、脫發(fā)、胃腸不良反應(yīng)及視覺障礙等嚴(yán)重不良反應(yīng)[4]。目前,新型2、3代ALK抑制劑已取得較好的臨床實(shí)驗(yàn)效果或已經(jīng)走上臨床[5-6]。此外,第4代的ALK-酪氨酸激酶抑制劑(TKI)(TPX-0131、NUV-655、Repotrectinib)也處于不同研發(fā)階段,初步結(jié)果顯示其能較好地克服復(fù)合突變,并有優(yōu)越的腦滲透性。

        美國食品藥品管理局(FDA)于2017年批準(zhǔn)阿來替尼為ALK陽性患者的一線用藥,臨床證據(jù)表明其可顯著降低疾病進(jìn)展或死亡風(fēng)險(xiǎn)達(dá)57%,延長(zhǎng)患者無疾病生存時(shí)間達(dá)34.8個(gè)月,延緩腦轉(zhuǎn)移的發(fā)生,給ALK陽性非小細(xì)胞肺癌患者帶來明顯的生存獲益。阿來替尼-ALK的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)表明,其苯并咔唑的C-11位羰基和ALK的Met1199的氨基形成的氫鍵是它們相互作用的關(guān)鍵,此外其5位的NH和3位的氰基也與相鄰Lys1150、Glu1167、Gly1269、Glu1270及Arg1253形成氫鍵[7]。研究表明,喹諾酮依諾沙星在多種腫瘤中具有較好的體內(nèi)外抗腫瘤作用,其作用與TRBP蛋白介導(dǎo)的microRNA加工有關(guān)[8]。本研究通過分子對(duì)接發(fā)現(xiàn)在喹諾酮依諾沙星的C-3位修飾苯并咪唑的新化合物L(fēng)Z-106,結(jié)構(gòu)式見圖1,具有相似的阿來替尼-ALK結(jié)合特征,并通過多種分子細(xì)胞生物學(xué)手段評(píng)估了其ALK激酶抑制能力、探討了其對(duì)ALK陽性細(xì)胞凋亡的影響及機(jī)制,對(duì)于ALK抑制劑自主研發(fā)有一定參考意義。

        圖1 LZ-106化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of LZ-106

        1 材料與方法

        1.1 化合物及細(xì)胞系

        LZ-106[2-(1-ethyl-6-fluoro-4-oxo-7-(piperazin-1-yl)-1,4-dihy-dro-1,8-naphthyridin-3-yl)-1H-benzo[d]imidazole-6-carbonitrile]由中國藥科大學(xué)江蘇省腫瘤發(fā)生與干預(yù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合成,為淺黃色粉末,質(zhì)量分?jǐn)?shù)98.5%,經(jīng)DMSO配制成0.05 mol/L母液備用。阿來替尼(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.99%,貨號(hào)S5232,)、Akt激活劑(SC79,質(zhì)量分?jǐn)?shù)97%,貨號(hào)S7863)購自Selleck Chemicals公司,STAT3激活多肽(Colivelin TFA,質(zhì)量分?jǐn)?shù)98.86%,貨號(hào)HYP1061A)購自MedChemExpress(MCE)公司。

        NCI-H2228細(xì)胞系購自中國科學(xué)院上海生科院細(xì)胞資源中心,采用含10%胎牛血清[維森特生物技術(shù)(南京)有限公司,貨號(hào)086-150]的RPMI-1640培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)。

        1.2 分子對(duì)接

        從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫下載ALK的蛋白結(jié)構(gòu)(pdb ID:7MK7),經(jīng)AutoDock程序(V 4.2)模擬ALK與LZ-106結(jié)合構(gòu)象。為了盡可能完整地搜索配體的構(gòu)象空間,保持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)此期間保持固定的分子對(duì)接。進(jìn)行了100次單獨(dú)的遺傳算法進(jìn)行構(gòu)象搜索,以生成100個(gè)配體的對(duì)接構(gòu)象。以配體位置的質(zhì)心為中心Docking box的大小為6 nm×6 nm×6 nm。Grid box設(shè)置為0.0375 nm的足夠包圍ALK中觀察到的最大結(jié)合口袋。

        1.3 分子水平激酶活性實(shí)驗(yàn)

        根據(jù)Promega公司的ALK Kinase Enzyme System及ADP-Glo? Kinase Assay試劑盒完成。將LZ-106、阿來替尼分別自20 nmol/L往下4倍倍比稀釋10個(gè)系列梯度濃度,然后每個(gè)濃度抑制劑取1 μL加入2 ng ALK蛋白及2 μL底物室溫反應(yīng)60 min。加5 μL ADP-Glo? Reagent混勻,室溫反應(yīng)40 min終止反應(yīng),并消耗殘留ATP,然后再加10 μL激酶檢測(cè)試劑室溫反應(yīng)30 min后經(jīng)Varioskan LUX化學(xué)發(fā)光酶標(biāo)儀讀數(shù)。

        1.4 CCK-8細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)

        將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的H2228細(xì)胞消化后制備成2×104個(gè)/mL的細(xì)胞懸液。設(shè)置LZ-106濃度梯度(0.25、0.5、1、2、4、8、10、12、16、24 μmol/L)并配制雙倍濃度藥液,將細(xì)胞懸液和藥液等體積混勻,每孔液體體積為100 μL(即每孔1×104個(gè)細(xì)胞),接種于超低黏附96孔細(xì)胞培養(yǎng)板內(nèi),每個(gè)濃度設(shè)置6個(gè)復(fù)孔,同時(shí)設(shè)置對(duì)照(僅加細(xì)胞)和3個(gè)空白孔。藥物作用24 h后,每孔加入10 μL CCK-8試劑,置于37 ℃細(xì)胞培養(yǎng)箱作用1~2 h后于450 nm處激發(fā)波長(zhǎng)讀取其吸光度(A)值。

        存活率=(A給藥-A空白)/(A對(duì)照-A空白)

        1.5 Annexin V/PI細(xì)胞凋亡實(shí)驗(yàn)

        將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的H2228細(xì)胞以2×105個(gè)/孔的細(xì)胞濃度,接種于6孔細(xì)胞培養(yǎng)板,待其貼壁并生長(zhǎng)至適宜細(xì)胞密度(約為70%)時(shí),設(shè)置對(duì)照組和LZ-106(1、2、4 μmol/L)組對(duì)細(xì)胞進(jìn)行藥物處理24 h,隨后用0.25%胰蛋白酶消化并收集細(xì)胞,以PBS溶液清洗并重懸。然后依據(jù)Annexin VFITC/PI雙染凋亡檢測(cè)試劑盒(南京凱基生物科技發(fā)展有限公司)使用說明,用緩沖Buffer溶液重懸細(xì)胞,并將Annexin-V和PI染料分別加入樣品管中,避光染色20 min后經(jīng)流式細(xì)胞儀(BD FACSCalibur)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Flowjo 7.6.1軟件進(jìn)行分析。同法檢測(cè)Akt激活劑SC79(8 μg/mL)和STAT3激活劑Colivelin(10 μmol/L)共同處理H2228細(xì)胞的誘導(dǎo)凋亡作用。

        1.6 Western blotting法檢測(cè)蛋白水平

        將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的H2228細(xì)胞以2×105個(gè)/孔的細(xì)胞濃度接種于6孔細(xì)胞培養(yǎng)板,待其貼壁并生長(zhǎng)至細(xì)胞密度約為70%時(shí),分別加入1、2、4 μmol/L的LZ-106處理24 h。常規(guī)方法進(jìn)行p-ALKY1604、p-STAT3Y705、p-ERK1/2T202/Y204、Akt、p-AktS473(Cell signaling公司),ERK1/2、Tubulin、羊抗兔二抗(ABclonal公司),ALK、STAT3(Proteintech公司)蛋白水平檢測(cè)。

        1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

        2 結(jié)果

        2.1 LZ-106與ALK的分子對(duì)接

        應(yīng)用AutoDock軟件對(duì)LZ-106和ALK的分子對(duì)接構(gòu)象進(jìn)行模擬,結(jié)果證實(shí)了該化合物基本構(gòu)型與阿來替尼基本保持一致,LZ-106化學(xué)結(jié)構(gòu)圖見圖1。其羰基能夠和ALK的關(guān)鍵鉸鏈區(qū)(hinge reign)的Met1199形成氫鍵,7位哌嗪取代基的氨基可以與Arg1120形成氫鍵[7]。此外該化合物萘啶環(huán)還可以和Arg1120和Leu1122形成p-π共軛作用,這一作用是先導(dǎo)化合物阿來替尼所不具備的(圖2)。因此推測(cè)依諾沙星衍生物L(fēng)Z-106能夠和ALK有效地結(jié)合并發(fā)揮作用。

        圖2 LZ-106和ALK模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)象(A)、結(jié)構(gòu)構(gòu)象局部放大圖(B)、LZ-106和阿來替尼在ALK蛋白中的構(gòu)象疊合圖(C)Fig.2 Simulated structural conformation of LZ-106 and ALK (A),local magnification of structural conformation(B),conformation superposition of LZ-106 and aletinib in ALK protein (C)

        2.2 LZ-106的體外ALK激酶抑制作用

        用4倍倍比(20 nmol/L起始)稀釋梯度濃度的LZ-106和阿來替尼進(jìn)行ALK激酶活性檢測(cè)。如圖3所示,二者均能濃度相關(guān)性地抑制ALK的激酶活性,半數(shù)抑制濃度(IC50)分別為(15.51±2.09)、(0.60±0.12)nmol/L,表明LZ-106能在無細(xì)胞體系中有效抑制ALK激酶活性。

        圖3 LZ-106和阿來替尼對(duì)ALK激酶活性影響Fig.3 Effect of LZ-106 and alectinib on ALK kinase activity

        2.3 LZ-106對(duì)細(xì)胞存活率的檢測(cè)

        分別用0.25、0.5、1、2、4、8、10、12、16、24 μmol/L LZ-106孵育H2228細(xì)胞12、24 h。CCK-8實(shí)驗(yàn)顯示,不同濃度的LZ-106作用后,均表現(xiàn)出對(duì)H2228細(xì)胞的活力抑制作用,且其作用強(qiáng)度具有濃度相關(guān)性(圖4),其IC50分別為(2.256±0.206)μmol/L(12 h)、(0.977±0.110)μmol/L(24 h)。

        圖4 LZ-106對(duì)H2228細(xì)胞存活率的影響Fig.4 Effect of LZ-106 on H2228 cell survival rate

        2.4 LZ-106誘導(dǎo)H2228細(xì)胞凋亡

        分別用0、1、2、4 μmol/L LZ-106處理H2228細(xì)胞24 h,經(jīng)Annexin V/PI細(xì)胞凋亡實(shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),能明顯濃度相關(guān)性地誘導(dǎo)H2228細(xì)胞凋亡(圖5),其凋亡率分別為(12.78±2.56)%、(20.59±2.96)%、(37.66±4.16)%(P<0.05、0.001)。

        圖5 LZ-106對(duì)H2228細(xì)胞凋亡的影響Fig.5 Effect of LZ-106 on apoptosis of H2228 cells

        2.5 Western blotting檢測(cè)LZ-106對(duì)ALK及相關(guān)下游通路關(guān)鍵激酶表達(dá)的影響

        如圖6所示,LZ-106可以顯著降低p-ALK的水平,抑制ALK的磷酸化(P<0.001)。此外研究表明,EML4-ALK通過激活下游Ras/ERK、PI3K/AKT和JAK3/STAT3通路以促進(jìn)細(xì)胞惡性增殖及轉(zhuǎn)移[9]。因此本研究也檢測(cè)了相關(guān)通路的關(guān)鍵激酶表達(dá)水平,如圖6所示,LZ-106處理H2228細(xì)胞后,p-ERK1/2、p-STAT3的表達(dá)水平下降(P<0.05、0.001),表明LZ-106能夠濃度相關(guān)地抑制PI3K/Akt和JAK3/STAT3通路。

        圖6 LZ-106對(duì)H2228細(xì)胞中ALK及下游通路關(guān)鍵激酶活性的影響Fig.6 Effect of LZ-106 on the activity of key kinases in ALK and downstream pathways in H2228 cells

        2.6 LZ-106通過PI3K/Akt和JAK3/STAT3通路誘導(dǎo)H2228細(xì)胞凋亡

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證LZ-106誘導(dǎo)H2228細(xì)胞凋亡的作用機(jī)制,本研究采用LZ-106(4 μmol/L)與Akt激活劑SC79(8 μg/mL)、STAT3激活劑Colivelin(10 μmol/L)共同處理H2228細(xì)胞[10]。如圖7所示,通過Annexin V/PI染色經(jīng)流式分析可觀察到SC79和Colivelin可削弱LZ-106的凋亡誘導(dǎo)作用,而SC79和Colivelin單獨(dú)處理對(duì)細(xì)胞凋亡無明顯影響。由此表明LZ-106可能通過PI3K/Akt和JAK3/STAT3通路誘導(dǎo)H2228細(xì)胞凋亡。

        圖7 LZ-106與SC79、Colivelin共同處理對(duì)H2228細(xì)胞凋亡的影響Fig.7 Effect of LZ-106 combined with SC79 and Colivelin on apoptosis of H2228 cells

        3 討論

        ALK激活與數(shù)十種腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān),以ALK激酶為靶標(biāo)的分子靶向藥物研究逐漸成為國內(nèi)外抗腫瘤藥物研究的熱點(diǎn)。LZ-106是根據(jù)阿來替尼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在依諾沙星的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上全新合成的抗腫瘤先導(dǎo)化合物。本研究經(jīng)分子對(duì)接模擬、體外激酶實(shí)驗(yàn)及細(xì)胞水平等實(shí)驗(yàn)證實(shí)了LZ-106能顯著地抑制ALK激酶活性,抑制EML4-ALK融合NSCLC的活力誘導(dǎo)其凋亡。且通過Western blotting以及信號(hào)通路激動(dòng)劑聯(lián)合處理,發(fā)現(xiàn)其作用機(jī)制可能是通過PI3K/Akt,JAK3/STAT3信號(hào)通路而發(fā)揮作用,但精細(xì)的作用機(jī)制還有待于進(jìn)一步深入研究。

        值得注意的是,本研究發(fā)現(xiàn)的該先導(dǎo)化合物雖然能與ALK結(jié)合,且具有一定的ALK激酶抑制活性,但是酶活抑制能力低于阿來替尼26倍,說明其藥物結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改造還有很長(zhǎng)的路要走。此外本研究還有一些缺陷,如細(xì)胞系的選擇僅僅針對(duì)1種ALK陽性細(xì)胞,后續(xù)的實(shí)驗(yàn)需要增加更多的細(xì)胞系;且后續(xù)需要開展異種移植瘤等動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其體內(nèi)的抗腫瘤效果。

        綜上所述,LZ-106為新一代ALK靶向藥物研發(fā)提供了全新的先導(dǎo)化合物,能較好地抑制ALK激酶活性,促進(jìn)ALK陽性細(xì)胞凋亡作用,且其對(duì)PI3K/Akt,JAK3/STAT3通路的調(diào)控可能是其作用的關(guān)鍵分子機(jī)制。

        利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

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