細胞質里做道場：Nat.Chem.報道手性有機金屬催化劑的抗癌新方法

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癌症，又稱為惡性腫瘤，是一種嚴重威脅人類生命和健康的疾病。據世界衛生組織（WHO）報道，癌症是全球第二大死因，2015年導致880萬人死亡，從全球情況看，近六分之一的死亡由癌症造成。[1]雖然目前治療癌症的藥物已有幾十種，但是由於癌症發病機理複雜，大多數藥物也只能緩解病情。因此研究新型抗癌藥物及其作用機製成為了化學、生物學及醫學等領域的熱點。與其他藥物相比，金屬藥物具有獨特的性質，以順鉑（PtCl2(NH3)2，cisplatin）為代表的鉑類配合物在癌症治療中發揮了巨大作用，目前超過50%的化療治療方案中都涉及鉑類藥物的使用，它們主要通過與DNA作用引起腫瘤細胞凋亡。但是鉑類藥物毒副作用大、易產生耐藥性以及對一些腫瘤治療無效，限制了其進一步的臨床使用。因此，研發高效低毒、抗耐葯的非鉑類金屬配合物引起了科學家的廣泛關注。目前，研究較深入的非鉑類抗腫瘤金屬配合物包括Ru、Ir、Fe、Au、Ga、Os等金屬化合物，其中不乏一些化合物具有較好的抗腫瘤活性，由於與鉑類配合物結構差異較大，它們具有不同於順鉑的抗腫瘤機制，展現出良好的應用前景。

過渡金屬Ru、Rh、Ir催化轉移氫化反應是有機合成化學領域的研究熱點。近年來，科學家發現這類金屬可以作為轉移氫化催化劑調控生物體內的活性氧（ROS）水平，利用癌細胞比正常細胞的抗氧化還原防禦能力脆弱這一差異，選擇性殺死癌細胞。例如英國華威大學Peter J. Sadler教授等人發現具有半三明治結構的金屬Ir(III)配合物可以催化細胞內NADH向NAD+轉化，[2]而金屬Ru(II)配合物在氫給體甲酸的作用下可以催化細胞內NAD+向NADH轉化，其抗癌機制可能涉及對癌細胞內的氧化還原系統和NADH調控的細胞信號通路的破壞。[3]

圖1. 通過轉移氫化反應策略殺傷癌細胞。圖片來源：Nat. Commun.[3]

與鉑類抗癌藥物相比，這類催化劑性質的金屬化合物作為抗癌藥物的優勢很明顯：在很低劑量下就能產生很好的效果，副作用要少得多，而且其新穎的機理有利於對抗癌細胞的耐藥性。基於類似策略，最近Peter Sadler教授等人以甲酸鈉為氫供體，高度穩定的手性半三明治結構Os(II)配合物為催化劑，首次在細胞內實現了關鍵代謝中間體丙酮酸的不對稱轉移氫化反應。細胞實驗證明，基於此催化機制可以實現癌細胞的選擇性殺傷，對正常細胞的影響很小。相關成果發表在Nature Chemistry上。

Peter Sadler教授。圖片來源：University of Warwick

細胞內的化學環境十分複雜，一個催化劑要想在細胞中正常展現活性，首先就要有足夠的穩定性。2015年，Peter Sadler教授等人就報道了金屬Os(II)配合物催化芳香酮的不對稱轉移氫化反應，他們發現該類配合物可在磷酸緩衝溶液中穩定存在且不易分解，顯示出其在細胞內進行催化不對稱轉移氫化反應的優勢和潛力。[4]

如圖2所示，研究者從芳烴配位的二氯化鋨二聚體出發，以手性鄰苯二胺為配體，利用高壓微波反應和鹼處理可快速高效合成N,N配體螯合的半三明治結構Os(II)配合物2-8。2-8在甲酸/三乙胺混合溶劑中催化苯乙酮還原反應，不僅能以優秀的對映選擇性生成相應產物，且催化效率也要高於釕配合物9（圖3）。細胞毒性實驗顯示2-8對人卵巢癌細胞株A2780增殖有一定抑制作用（IC50= 4-30 μm），其中(R,R)-構型配體的配合物與其相應(S,S)-構型異構體的IC50值相近。在IC50濃度下，配合物2-8對A2780作用24小時後，細胞內Os累積量可達到4.8-31.9 ng Os×106cells。構效關係研究表明這類配合物的抗增殖活性受其疏水性影響，疏水性越強，腫瘤細胞對配合物攝取率越大，抑制活性越高。作者進一步研究了Os(II)配合物2在A2780癌細胞內的分布情況以及抗增殖機制，結果表明Os主要富集在細胞質（47±2%）和細胞膜/細胞器上（48±3%），可以將細胞周期阻滯在G1期，但不會誘導細胞凋亡，也不破壞細胞膜的完整性。以上實驗結果表明，Os(II)配合物2具有高穩定性、高催化效率（TOF = 63.9±0.3 h-1）、較低細胞毒性（IC50= 15.5±0.5 μm）、高細胞攝取率（30±2 ng Os×106cells）等優點，這意味著Os(II)配合物2可以在細胞質中達到能啟動催化的較高濃度，同時又不會導致細胞死亡，也就意味著有希望使用Os(II)配合物2為催化劑在細胞內開展不對稱轉移氫化反應研究。

圖2. Os(II)配合物2-8的合成。圖片來源：Nat. Chem.

圖3. 苯乙酮的還原反應及Os(II)配合物對A2780的抗增殖活性。圖片來源：Nat. Chem.

丙酮酸是細胞糖代謝及體內多種物質相互轉化的重要中間體，對於需要快速增殖的癌細胞來說非常關鍵。因此，在細胞內進行丙酮酸氫化一方面可以打亂癌細胞對能量和關鍵代謝物的控制，另外一方面還可以破壞癌細胞內脆弱的氧化還原平衡，進而選擇性殺傷癌細胞。

研究者首先在磷酸緩衝液中測試了Os(II)配合物2對丙酮酸不對稱轉移氫化的催化活性。以甲酸鈉（4 mM）為氫源，Os(II)配合物2（10 μM）為催化劑，丙酮酸鈉（2 mM）在磷酸緩衝液中的不對稱轉移氫化反應可以順利發生，反應轉化速率受甲酸鈉用量的影響，將甲酸鈉濃度由4 mM增加至30 mM時，反應轉化速率提升近10倍。反應對映選擇性也很好，使用(R,R)-2可得到D-乳酸鹽（83% e.e.），(S,S)-2可得到L-乳酸鹽（84% ee）。

圖4. 磷酸緩衝液中丙酮酸的不對稱氫化。圖片來源：Nat. Chem.

隨後他們在含有Os(II)配合物2或7的細胞培養液中加入甲酸鈉，對卵巢癌細胞（A2780）以及正常細胞卵巢成纖維細胞（HOF）和肺成纖維細胞（MRC5）進行試驗。結果表明甲酸鈉的加入可大幅增加Os(II)配合物2對A2780的抗增殖活性，並且活性隨著甲酸鈉濃度的升高而明顯增強，最高可提升約13倍。Os(II)配合物7的結果類似。值得一提的是甲酸鈉的加入並沒有影響細胞對Os(II)配合物2或7的攝取率。正常細胞的實驗結果讓人驚喜，Os(II)配合物加甲酸鈉的組合併沒有對細胞產生明顯的影響（圖5c/d），這證明了這種策略的確對癌細胞有選擇性。當使用乙酸鈉代替甲酸鈉時，配合物2對A2780的抗增殖活性基本沒有變化，這可能和乙酸鈉無法作為氫供體有關（圖5b）。他們還發現N-甲醯蛋氨酸（fMet）可以提高配合物2和7對前列腺癌細胞PC3的抗增殖活性，原因可能在於PC3中的肽脫甲醯化酶（PDF）可將fMet水解併產生甲酸鹽。在使用N-乙醯蛋氨酸時，這種情況並不發生，因為N-乙醯蛋氨酸水解只能生成乙酸鹽，無法作為氫供體。同樣的規律也在Os(II)配合物7上被發現。

圖5. Os(II)配合物2和7在不同條件下對A2780、HOF和MRC5的抗增殖活性。圖片來源：Nat. Chem.

以上結果表明，Os(II)配合物對癌細胞抗增殖活性的提高很可能與涉及Os(II)配合物/甲酸鈉的轉移氫化反應有關。通常，細胞內乳酸脫氫酶可催化丙酮酸生成L-乳酸，D-乳酸在細胞中也存在，但濃度很低。研究者於是檢測了不同條件下A2780細胞和培養液中D-乳酸鹽的濃度，發現在(R,R)-2和甲酸鈉存在條件下，細胞內D-乳酸鹽的濃度明顯升高，升高幅度大於(S,S)-2和甲酸鈉的組合，而且對於細胞外的D-乳酸鹽濃度，無論是(R,R)-2還是(S,S)-2在甲酸鈉存在條件下都沒有表現出明顯影響（圖6）。這確證了轉移氫化反應在細胞內發生，並且具有高對映選擇性。

圖6. 不同條件下細胞內和細胞外的D-乳酸鹽濃度。圖片來源：Nat. Chem.

研究者初步探索了Os(II)配合物2/甲酸鈉對A2780癌細胞的抗增殖機制。同Os(II)配合物2單獨作用於A2780細胞類似，Os(II)配合物2/甲酸鈉體系也沒有誘導細胞凋亡和破壞膜的完整性。細胞周期實驗顯示分裂後的細胞被阻滯在G1期的數量有所增加，但並不明顯，也就是說在Os(II)配合物2/甲酸鈉作用下，A2780細胞G1期的阻滯效應僅稍微增強。這些都表明甲酸鈉的加入並沒有改變Os(II)配合物2的作用機制，只是增強了這種機制，而這種機制研究者認為與細胞生長抑制有關。由於Os(II)配合物2在細胞核上富集較少，並且沒有出現S/G2M期阻滯，其抗增殖機制也並不涉及DNA作用機理。

——總結——

Peter Sadler教授等人首次實現了細胞內丙酮酸的不對稱轉移氫化反應。該反應以無毒劑量的甲酸鈉為氫源，高度穩定的手性Os(II)配合物為催化劑，將丙酮酸還原成兩種不同構型的乳酸，並可選擇性殺死癌細胞，其作用機制可能在於影響癌細胞的代謝和氧化還原平衡。雖然丙酮酸還原產生乳酸並不太可能是癌細胞死亡的直接原因，但這一工作為癌症治療找到了新的細胞靶點，值得進一步展開研究。

Asymmetric transfer hydrogenation by synthetic catalysts in cancer cells

Nat. Chem.,2018, DOI: 10.1038/NCHEM.2918

導師介紹

Peter Sadler

http://www.x-mol.com/university/faculty/7044

1. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs297/zh/

2.Liu, Z. et al. The potent oxidant anticancer activity of organoiridium catalysts.Angew. Chem. Int. Ed.,2014,53, 3941-3946

3.Soldevila-Barreda, J. J., Romero-Canelón, I., Habtemariam, A. & Sadler, P. J. Transfer hydrogenation catalysis in cells as a new approach to anticancer drug design.Nat. Commun.,2015,6, 6582

4.Coverdale, J. P. C. et al. Easy to synthesize, robust organo–osmium asymmetric transfer hydrogenation catalysts.Chem. Eur. J.,2015,21, 8043-8046

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