用于硼中子俘獲治療的碳硼烷多肽衍生物

韓 祎,李鳳林,羅志福

中國原子能科學研究院 核技術綜合研究所,北京 102413

在中國,癌癥是僅次于心臟病的第二大致死原因,據統計,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生中子俘獲反應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,與一個細胞直徑相近,實現一種高選擇性的精準治療[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。一般認為,每個腫瘤細胞中要含109個10B原子或每克腫瘤組織中含20～50 μg10B[7],因此如何達到高硼攝取量是設計新型硼攜帶劑所面臨的挑戰性問題。

多肽能與腫瘤細胞中過度表達的受體或轉運體結合,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,還可以增強腫瘤組織的特異性攝取量,且無免疫原性、靶向性強,是新一代硼藥設計的關注熱點。自20世紀60年代首次發現碳硼烷以來,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]。盡管有許多關于含碳硼烷多肽類化合物的設計和實驗,然而迄今為止尚未有對已報道的含碳硼烷多肽衍生物進行分類和分析的文章。本文對含碳硼烷的多肽衍生物進行了總結,希望可以為新一代的新型BNCT藥物研發提供思路,奠定基礎。

1 碳硼烷基本結構性質

碳硼烷(C2B10H12)首次發現于20世紀60年代,根據其構型大致可以分為閉式碳硼烷、開式碳硼烷和蛛網式碳硼烷,根據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構所需,即是閉式的碳硼烷。各個頂點的原子的配位數均是6配位,有著三個中心兩個電子的化學鍵,故而屬于強缺電子結構,相鄰的鍵會縮短增加化合物的穩定性[10]。由于碳硼烷具有高氧化性、熱穩定性、疏水性和低毒性等獨特的化學和物理性質,廣泛應用于設計具有靶向性的藥物分子當中[11]。碳硼烷分子的引入可增加藥物在體內的穩定性和生物利用度,延緩體內代謝時間[12]。此外,對這些簇中的每個碳或硼原子進行選擇性化學替代,可以將它們用作剛性的三維支架,在其上構建新的藥物分子。

圖1 碳硼烷三種構型Fig.1 Three configurations of carborane

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

2 含碳硼烷多肽衍生物發展

多肽是參與生物體代謝的必需物質,是設計生物制劑的基礎,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。含硼多肽的應用使BNCT在癌癥治療上有了重大進展[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展,近年來主要關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 硼苯丙氨酸的結構[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)),實驗發現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肽衍生物(圖3(b)),該環肽是生長抑素的受體易被腫瘤細胞內化。其他腫瘤細胞過表達的多肽配體也被應用于潛在硼攜帶劑設計合成中,以提高腫瘤細胞10B的攝取率,如整合素αvβ3、神經肽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致肽分子疏水性顯著增加,在共軛結構中引入半乳糖殘基,可以補償這種影響,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、改善藥物在體內的藥動學特性。Dennis等[30]以9-叔丁基硫代-間碳硼烷為基礎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)),并在其基礎上合成了一組含有多達120個硼原子的神經肽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,取得了巨大的進步。碳硼烷基通常偶聯到多肽末端氨基或多官能氨基酸(主要是賴氨酸)側鏈中的官能團,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構中不僅是研發新一代硼攜帶劑的新方向,也是改變多肽藥代動力學參數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 神經肽Y衍生物

神經肽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肽之一,常被用作硼選擇性進入腫瘤細胞的載體[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,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胞高選擇性地攝取,并且在血漿中結構穩定未發現細胞毒性。

圖5 含間碳硼烷神經肽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,大多數腫瘤細胞生長抑素受體過度表達[34]。因此靶向生長抑素受體的方法廣泛應用于治療癌癥藥物的開發中[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得到Tyr3-奧曲肽衍生物(圖6(c))。由于生長抑素在幾種神經內分泌系統腫瘤的細胞表面過表達,實驗發現含碳硼烷Tyr3-奧曲肽衍生物易被腫瘤細胞內化且無細胞毒性,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皮細胞不表達或者低表達,但是在腫瘤新生成血管內皮細胞以及某些腫瘤細胞表面上過表達。RGD肽(Arg-Gly-Asp,RGD),1984年由Pierschbacher和Ruosluherici[36]首次報道發現,可以優先與整合素αvβ3結合,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))被認為是最有發展潛力用于BNCT的硼攜帶劑[40-41]。在體外和體內實驗中,化合物7-a結構穩定、無細胞毒性并且明顯在腫瘤細胞內大量積累,與硫基十二硼烷二鈉鹽(sodiumborocaptate, BSH)相比,化合物7-a在體內滯留時間更長[40]。注射化合物7-a加中子照射治療后發現顯著地抑制了SCC VII鱗狀細胞癌的生長,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-環糊精(βCD)形成強的主客體配合物。同時環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小鼠成肌細胞的結合率更高、結合力更強。

圖7 含鄰碳硼烷的環肽衍生物[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,可促進損傷組織的愈合和再生,在腫瘤中高表達,研究發現將陰離子硼簇化合物引入胸腺素β4(Tβ4)的結構中[43],得到的偶聯物在pH=6.4時穩定,在pH=8.0時易于水解,形成原生Tβ4。已經證明,含有一個或兩個雙鈷(1,2-二羧酸)殘基的Tβ4肽偶聯物保留了Tβ4對心肌細胞(H9C2細胞系)的促生存活性,并且在血液循環中與白蛋白形成復合物可保護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療效[44-45]。最近,Fink等[46]發現在Tβ4分子中心肌動蛋白結合域附近引入雙鈷(1,2-二羧酸)片段化合物(圖8)可增強參與傷口愈合的細胞(如內皮細胞和成纖維細胞)的遷移活性,且對H9C2細胞系無細胞毒性,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固相合成多肽QTAIGVGAP偶聯物(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現1-羧基間碳硼烷與氨基的偶聯優于羥基或巰基,這種效應可用于產生具有微調性質的非天然脂肽,并且反相高效液相色譜(HPLC)結果發現,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,可高效提高產率的同時解決了靶向性的問題,可作為新型硼攜帶劑的設計方向。

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?；?合成大環肽10-a和10-b(圖10)。實驗證明大環肽表現出對人體表面生長因子受體(hEGFR)更高的親和力且未表現細胞毒性,因此該類型硼肽能夠選擇性地聚集在hEGFR高表達的HEK293細胞表面。

圖10 含硼大環肽[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GRPR的PC3前列腺癌細胞選擇性攝取,且不表現出內在的細胞毒性。研究發現HepG2肝細胞幾乎不攝取含有16個L型半乳糖殘基的偶聯物11-b,而對D氨基半乳糖化合物11-a選擇性大量攝取,因此研究人員認為化合物11-b是更具發展潛力的BNCT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

迄今為止含硼的多肽衍生物的設計已經取得了許多進展,其中含碳硼烷的殘基不僅被認為是一種簡單的含硼取代基,而且被認為是一種在籠的不同頂點帶有氨基和羧基的穩定多面體骨架,其特殊的構型拓寬了含碳硼烷多肽衍生物的應用。對碳硼烷多肽衍生物的各種生物學靶向作用研究開始于20世紀70～80年代,根據最近對神經肽Y、胸腺素和其它肽的含硼衍生物的生物學活性的研究發現,通常將閉合型碳硼烷殘基引入肽的結構中會導致其理化、藥代動力學和藥效學特性發生相當大的變化。硼簇的加入會導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殘基來增加水溶性,提高生物體吸收。如何使多肽衍生物盡可能進入細胞,提高腫瘤細胞含硼量是含碳硼烷多肽衍生物發展的關鍵,因此新型靶向性多肽的多功能設計是將來含碳硼烷多肽衍生物的研究重點。

從20世紀70年代到現在,含碳硼烷的多肽衍生物一直有望作為新型硼攜帶劑應用于癌癥治療當中。碳硼烷的多肽衍生物載硼量高并且多肽對相應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表的含硼多肽化合物分類總結,發現含硼RGD、生長抑素、神經肽Y等多肽類衍生物作為靶向腫瘤細胞的硼攜帶劑具有很大的發展前景,有望為新型硼攜帶劑的發展帶來新的突破。