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我院田原博士在发展具有细胞穿透能力的稳定多肽领域取得系列进展

来源:办公室   作者:     日期:2022-03-14   点击数:  

    多肽类药物的分子大小介于小分子药物和蛋白类药物之间,兼具二者的特性,具有良好的选择性和生物相容性,因而受到学术界及产业界的广泛关注。多肽类分子已被广泛用于包括疫苗、肿瘤治疗、抗感染、代谢性疾病、诊断等领域,但传统线性多肽存在稳定性差、细胞穿透性差、缺乏肿瘤靶向性等问题,限制了其针对胞内靶点的生物学应用。

针对上述问题,我院田原博士长期从事发展具有细胞穿透能力的稳定多肽研究,通过化学手段构建了具有稳定二级构象的环状多肽,以增强其在体内的稳定性,同时提高多肽的细胞穿透能力。(Chem. Sci., 2016, 7, 3325-3330;Chem. Sci., 2017, 8, 7576-7581; Chem. Commun., 2016, 52, 9275-9278; Chem. Commun., 2017, 53, 10452-10455)

在上述工作基础上,田原博士进一步围绕如何提高稳定多肽肿瘤靶向能力和穿透生物膜屏障能力这一主线开展相关研究,取得了系列进展。

动物毒素用于疾病治疗有着悠久的历史,其化学本质大多为结构复杂的多肽类分子,通过自然界进化的毒素多肽具有极高的生物活性和稳定性,可在低剂量下发挥作用,其构象通常由两种以上二级结构组成,并由多个二硫键所稳定。该工作受到芋螺毒素(Conotoxin)和蜂毒明肽(Apamin)的化学结构启发,通过模拟这类毒素多肽的loop-helix二级构象,利用更为稳定的硫醚键代替二硫键,发展了基于巯基-炔点击化学构建烷基双硫醚侧链的双环稳定多肽方法学,并设计了基于靶向细胞表面过表达整合素受体以及细胞内线粒体的嵌合多肽的双环稳定多肽。该双环多肽具有稳定的loop-helix构象,相对于未环化的线性多肽其血清稳定性得到显著提高,并可选择性杀伤整合素高表达细胞系。该双环多肽稳定体系具有更低的非特异性毒性,有望为后续进一步开发基于该骨架的双靶向双环多肽抑制剂提供研究基础。

该研究成果以 “Rational design of a dual-targeting natural toxin-like bicyclic peptide for selective bioenergetic blockage in cancer cells”为题,发表在美国化学会期刊Bioconjugate Chemistry, 2021, 32, 2173-2183 (JCR Q1, IF: 4.77), 我院为论文第一单位,我院硕士研究生唐瑞为论文第一作者,田原博士为论文独立通讯作者。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.1c00366


此外,针对如何增强多肽跨生物膜屏障能力开展了相关研究。细胞穿透肽是一类可有效穿透细胞膜的多肽分子,其作为分子转运体被广泛用于药物胞内递送。尽管在过去的二十年间,化学家们发展了多种优化多肽的理化性质的策略,包括引入可刺激响应的基团构建在肿瘤微环境可激活的细胞穿透肽实现选择性细胞穿透,通过多肽环化、非天然氨基酸取代、N-甲基化等化学修饰手段开发新型细胞穿透肽,但其应用仅限于跨越单层细胞膜,由于肿瘤组织高度堆积的细胞和致密的细胞外基质,大多数药物很难有效渗透肿瘤病变处,导致深部肿瘤中癌细胞的存活,进而引起肿瘤复发和转移。因此,如何实现针对肿瘤组织的多层细胞穿透是进一步提高药物治疗效果的关键。

该工作在前期探索不同类型侧链化学结构对多肽细胞穿透能力影响的基础上,以目前广泛应用的细胞穿膜肽Tat和R8为基础,设计并合成了由4,4-双(溴甲基)联苯作为疏水性环状侧链的稳定化细胞穿膜肽,采用该策略成功地增强了多肽在肿瘤细胞和肿瘤组织中渗透性。所开发的稳定化细胞穿膜肽可作为实现对肿瘤组织深层穿透的强有力的新型工具分子进一步应用于药物递送领域。




该研究成果以 “Stapling of short cell-penetrating peptides for enhanced tumor cell-and-tissue dual-penetration”为题,发表在英国皇家化学会期刊Chemical Communications, 2022, 58, 2299-2302 (JCR Q1, Nature Index, IF: 6.22), 我院为论文第一单位,我院硕士研究生史梦真为论文第一作者,田原博士和材料学院周绍兵教授为论文共同通讯作者。

论文链接:https://doi.org/10.1039/D1CC06595E


与此同时,基于化学修饰开发的下一代具有更强细胞穿透能力、稳定性和选择性的细胞穿透肽可进一步应用于聚合物纳米颗粒的表面修饰,以克服生理屏障,提高药物递送效率。田原博士针对细胞穿透肽及其在纳米递送系统中应用进行了系统总结,分别总结了包括传统细胞穿透肽、可激活细胞穿透肽以及环状细胞穿透肽的优缺点及其发展过程,介绍了细胞穿透肽在聚合物纳米载药系统表面修饰中的应用,并对细胞穿透肽在药物递送领域中的发展进行了展望。一方面,开发新型具有更强穿透能力和更稳定的细胞穿透肽,同时进一步理解细胞穿透肽是如何跨越生理屏障的将持续受到广泛关注;另一方面,尽管目前发展出的构象限制的环状细胞穿透肽具有更强的穿透能力和更好的稳定性,但是其在纳米载药系统中的应用仍然有限,也期望未来可以看到更多利用这类高效稳定的分子转运体进一步提高纳米载药系统跨越生理屏障的能力的报道。




相关进展以 “Advances in cell penetrating peptides and their functionalization of polymeric nanoplatforms for drug delivery”为题,发表在Wiley跨学科综述期刊WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology, 2021, 13, e1668 (JCR Q1, IF: 9.18), 我院为论文第一单位,我院田原博士为论文第一作者,材料学院周绍兵教授为论文通讯作者。

论文链接:https://doi.org/10.1002/wnan.1668


上述研究得到国家自然科学基金项目(21708031, 51723303, 52033007)、博士后创新人才支持计划(BX20180264)、中国博士后科学基金面上项目(2018M643519)、四川省科技计划苗子工程重点项目(2020JDRC0051)、中央高校基本科研业务费专项(2682017CX092, 2682021ZTPY075)等项目资助。相关研究工作均得到了生命学院科研平台、西南交通大学分测中心以及材料学院周绍兵教授的大力支持。