大家好, 今天给大家分享一篇发表在JACS上的研究进展,题为: In Situ PROTAC Synthesis Enabled by Pathologically Activated Bioorthogonal Catalysis for Precision Cancer Therapy该工作的通讯作者是来自福州大学化学学院的杨黄浩研究员。
PROTAC(蛋白降解靶向嵌合体)技术通过劫持泛素 - 蛋白酶体系统降解致病蛋白,已成为药物研发的前沿方向,代表性候选药物 ARV-110、ARV-471 已进入 Ⅱ/Ⅲ 期临床试验。但其广泛应用仍面临两大关键瓶颈:细胞渗透性与生物利用度差——PROTACs 作为双功能分子,需同时结合靶蛋白(POI)和 E3 泛素连接酶,导致分子量高、极性表面积大,违反 Lipinski 规则,最终表现为水溶性差、细胞穿透能力弱,难以在靶细胞内达到有效浓度、脱组织毒性风险高——传统 PROTACs 在全身分布过程中,可能在正常组织中降解非靶蛋白,引发系统性毒性;虽有研究开发 “前体 PROTACs”(如靶向配体修饰或刺激响应去笼设计),但仍未彻底解决理化性质缺陷,且部分方案依赖外源刺激(如光、放疗),临床适用性有限。为突破上述瓶颈,作者提出 “病理微环境激活生物正交催化原位合成 PROTACs(ABC-PROTAC)”的创新思路:利用肿瘤细胞特有的高浓度谷胱甘肽(GSH)激活铜基催化剂,结合 AS1411 适配体修饰脂质体的靶向递送能力,实现 PROTAC 前体在癌细胞内精准组装,同时规避正常组织中的非特异性合成,最终达到 “高选择性降解癌蛋白、低系统毒性” 的治疗目标。
图式1. 通过病理微环境激活的生物正交催化(ABC)原位合成蛋白降解靶向嵌合体(PROTACs)
本文作者为明确 ABC-PROTAC 的核心组成——将叠氮 / 炔基修饰的 PROTAC 前体、GSH 激活型 Click-T-Cu (II) 复合物共封装于 AS1411 适配体修饰的脂质体(APCLs)中(图式1a)。该设计的核心目的是同步各组件的药代动力学,同时通过 AS1411 与肿瘤细胞过表达的核仁素结合,提升靶向递送效率 —— 这是后续实现 “肿瘤选择性合成 PROTACs” 的基础,直接针对 “传统 PROTACs 脱组织分布” 的痛点。随后基于 图1a 的封装设计,进一步阐明胞内过程:APCLs 经核仁素介导内吞进入癌细胞后,逃逸溶酶体释放内容物;癌细胞内高浓度 GSH 将 Click-T-Cu (II) 还原为活性 Cu (I),催化前体通过 CuAAC 反应原位合成 PROTACs;新生成的 PROTACs 劫持泛素 - 蛋白酶体系统降解靶蛋白(POI),最终诱导癌细胞凋亡(图式1b)。完整呈现了 “递送→激活→合成→降解” 的闭环,针对性解决 “PROTACs 细胞渗透性差”(前体小分子易穿透)和 “原位合成可控性不足”(GSH 病理激活)的问题。
图1. 通过谷胱甘肽(GSH)激活的铜催化叠氮 - 炔烃环加成反应(CuAAC)实现蛋白降解靶向嵌合体(PROTACs)的生物正交催化合成
图1a为PROTAC 合成示意图,核心催化反应为以叠氮修饰的 BRD4 配体(P1)炔基修饰的 VHL 配体(P2)为前体,在 GSH 激活的 Click-T-Cu (I) 催化下通过 CuAAC 反应生成 BRD4 降解剂(dBRD4)。为后续所有催化效率验证实验奠定了反应模型,且选择 BRD4(致癌转录调控关键蛋白)作为首个靶标,符合 “优先解决临床相关癌蛋白降解”的研究导向。随后作者基于 图1a 的反应模型,探究 Click-T 的催化优势:通过对比 Click-T、THPTA、BTTAA、P-DNA 四种配体介导的 PROTAC 产率(图1b),发现 Click-T-Cu (I) 60 分钟产率达 84.1%,显著高于其他配体(THPTA 组 42%、BTTAA 组 52.6%、P-DNA 组 7%)。该实验直接验证了 Click-T 作为 Cu (I) 稳定剂的高效性,回答了 “为何选择 Click-T” 的问题 —— 传统配体催化效率低,无法满足胞内快速合成需求,而 Click-T 可确保前体高效转化为活性 PROTACs。随后作者为解释Click-T 的高催化活性,探究 redox 性质(图1c) :Click-T 使 Cu (II)/Cu (I) 氧化峰正向偏移 177 mV,表明其能增强 Cu (I) 稳定性并促进 Cu (II) 还原(Cu (II) 需还原为 Cu (I) 才具备催化活性),而 THPTA、BTTAA、P-DNA 无此效应。从电子转移层面揭示了 Click-T 的催化机制,同时回应了 “如何在低铜浓度下实现高效催化” 的关键问题(避免高铜毒性)。随后进一步验证 Click-T 与 Cu (I) 的结合能力 (图1d) :Click-T-Cu (I) 的 KD 为 7.2×10⁻¹³ M,远低于 THPTA-Cu (I)(1.2×10⁻¹⁰ M)、BTTAA-Cu (I)(8.5×10⁻¹¹ M),且结合强度介于 GSH(~9×10⁻¹² M)与天然铜伴侣(<10⁻¹⁴ M)之间。这解释了 Click-T 为何能稳定胞内 Cu (I) 且不干扰铜稳态(不与天然蛋白竞争铜离子),完善了 “结合强→稳定性高→催化高效且低毒” 的逻辑链。最后作者从分子层面可视化 Click-T 与 Cu (I) 的相互作用 (图1e-g) :Cu (I) 结合于胞嘧啶 N7、脱氧核糖氧及磷酸二酯基团,诱导 Click-T 螺旋扭曲以适配配位。该模拟直接印证了图 1d 的结合强度数据,从结构上解释了 Click-T 稳定 Cu (I) 的原因,完成了 “实验现象→理化性质→分子结构” 的全维度验证,为 “Click-T 作为最优配体” 提供了结构层面的证据。
图2. 溶液及癌细胞中 ABC-PROTAC 的生成
APCLs 的 TEM 表征(图2a)显示APCLs 为均匀球形, hydrodynamic 直径约 100 nm,具备理想的药物递送形貌(100-200 nm 是肿瘤 EPR 效应的最佳粒径范围)。为后续 “载体能否高效递送组件至肿瘤” 提供了物理基础验证,直接针对 “传统 PROTACs 肿瘤靶向性差” 的痛点。随后作者基于APCLs 的载体特性,验证 GSH 响应性 (图2b) :模拟血液(0.02 mM)、正常细胞(1 mM)、癌细胞(10 mM)的 GSH 浓度,发现仅 10 mM GSH 时产率达 65.2%,低浓度 GSH 下产率极低(0.02 mM 时 <1%、1 mM 时 9.8%)。验证了 “肿瘤微环境选择性激活” 的核心设计,回答了 “为何能避免 Off-tissue 合成” 的问题 —— 只有癌细胞内的高 GSH 能触发催化反应,正常组织中几乎不合成 PROTACs,降低脱组织毒性。随后作者为证实 GSH 的激活作用,检测 Cu 价态 (图2c) :10 mM GSH 处理后,Cu 2p₃/₂结合能从 933.6 eV 降至 931.8 eV,Cu 2p₁/₂从 953.5 eV 降至 951.8 eV,且 Cu (II) 特征峰消失,表明 Cu (II) 完全还原为 Cu (I)。随后作者基于载体的靶向设计(AS1411 - 核仁素结合),检测细胞选择性摄取 (图2d-g) :MDA-MB-231 癌细胞(核仁素高表达)的荧光信号(Rhod-APCLs)在 3 小时达峰值,且强度显著强于 MCF-10A 正常细胞(核仁素低表达);预处理游离 AS1411 后,癌细胞摄取量显著下降。随后作者基于细胞摄取结果,探究组件能否进入胞质(GSH 主要存在于胞质) (图2h-i) :Confocal 显示 Cy5-Click-T 在 2 小时内定位于溶酶体(与 LysoTracker 共定位),3 小时后与溶酶体标记物分离,4 小时胞质分布比例达 47.4%。最后作者整合前面的载体递送、GSH 激活、溶酶体逃逸结果,最终验证胞内合成 (图2j-k) :MDA-MB-231 细胞中检测到 dBRD4 的准分子离子峰([M+H]⁺=1141.4154),24 小时产率达 58.6%;而 MCF-10A 细胞中几乎无 PROTAC 生成,预处理 BSO(GSH 清除剂)或游离 AS1411 后,癌细胞内产率显著下降。直接证明该平台能在癌细胞内特异性生成活性 PROTACs,解决了 “PROTACs 在靶细胞内浓度不足” 的痛点。
图3. ABC-PROTAC 介导的 BRD4 蛋白降解及细胞毒性
作者为预测 PROTAC 的作用潜力,模拟 dBRD4 与 BRD4(金色)、VHL(蓝色)的结合(图3a),显示无明显空间位阻,且两者距离维持在 0.12-0.43 nm(泛素转移所需的有效距离)。基于模拟预测,实验验证降解效果 (图3b-f) :Western blot 显示 ABC-PROTAC 以浓度依赖(图3b-d)和时间依赖(图3e-f)方式降解 BRD4,半降解浓度(DC₅₀=257 nM)低于预合成 dBRD4(DC₅₀=580 nM)。随后作者探究了降解的必需条件 (图3g) :缺失 P1、P2、Click-T 或 Cu (II) 任一组件,BRD4 降解完全消失;替换 P1 为游离 (+)-JQ-1(无叠氮基团,无法参与 CuAAC 反应)也无降解。验证了 “原位合成 PROTACs 是降解关键”,排除了单一组件(如 P1、Cu (II))的干扰,强化了 ABC-PROTAC 的作用特异性,避免 “非特异性降解” 的误判。随后作者进一步明确降解机制(图3h)——预处理 BSO(GSH 清除剂)、游离 AS1411(阻断摄取)、MG132(蛋白酶体抑制剂)或 MLN4924(E3 连接酶抑制剂)后,BRD4 降解均被抑制。该实验串联了前面的 GSH 激活(图2b-c)、靶向摄取(图2d-g)机制,证实降解依赖 “GSH 激活→靶向摄取→泛素 - 蛋白酶体系统” 的完整通路,明确了 ABC-PROTAC 的作用机制。随后作者扩展降解的适用性与选择性 (图3i) :在 4T1(乳腺癌)、HepG2(肝癌)、HeLa(宫颈癌)等多种癌细胞中,ABC-PROTAC 均能高效降解 BRD4(Dmax=80%-100%),且降解程度与胞内 PROTAC 含量正相关;而在 MCF-10A 正常细胞中无明显降解。验证了 ABC-PROTAC 对不同癌细胞的普适性,同时凸显 “对正常细胞无影响” 的选择性优势。随后为进一步强化选择性优势 (图3i) :MCF-10A 细胞中,ABC-PROTAC 即使浓度达 6 μM 也无 BRD4 降解;而预合成 dBRD4 封装于 APCLs(dBRD4@lip)后,仍能降解 BRD4(DC₅₀=2.37 μM)。随后作者深入探究降解的下游效应 (图3m-n) :结果显示 ABC-PROTAC 仅选择性下调 BRD4 及下游转录调控相关蛋白(如 BRD3、IGFBP1,均为 BRD4 靶基因调控的癌相关蛋白),对其他蛋白影响极小;而预合成 dBRD4 下调蛋白数量更多,且存在非特异性靶点。该实验从全局层面证实 ABC-PROTAC 的靶向性,解释了细胞毒性的分子机制(仅干扰癌细胞的致癌通路),进一步支撑 “低脱组织毒性” 的优势。最后作者明确细胞死亡方式 (图3o-p) :Annexin V/PI 染色显示,ABC-PROTAC 诱导 MDA-MB-231 细胞凋亡率达 81.0%,显著高于预合成 dBRD4(50.6%);Western blot 显示 ABC-PROTAC 组 caspase-3 激活水平是 dBRD4 组的 1.55 倍。该实验进一步阐明了 ABC-PROTAC 的抗肿瘤机制(通过降解 BRD4 诱导 caspase 依赖的凋亡),完成了 “降解靶蛋白→下游通路调控→细胞凋亡” 的逻辑闭环,证实其抗肿瘤效应的特异性。
图4. ABC-PROTAC 平台针对多种蛋白质靶向降解的适用性
作者基于 BRD4 降解的成功经验,扩展至其他临床相关靶蛋白 (图4a) :将前体替换为炔基修饰的 PARP1 抑制剂(P3,尼拉帕利衍生物)和叠氮修饰的 MDM2 配体(P4),设计针对 PARP1(DNA 损伤修复关键蛋白,卵巢癌 / 乳腺癌治疗靶点)的 ABC-PROTAC。该设计体现了平台的模块化特性 —— 仅需替换靶蛋白配体(warhead)即可适配不同 POI,回应了 “该平台是否具备通用性” 的问题。接着验证新设计的合成可行性 (图4b) :在 MDA-MB-231 细胞中检测到 dPARP1 的特征离子峰([M+H]⁺=1100.3976、[M+Na]⁺=1122.3785),证实模块化替换后仍能实现胞内原位合成。为验证新设计的降解活性 (图4c) :dPARP1 ABC-PROTAC 以浓度依赖方式降解 PARP1(DC₅₀=580 nM,Dmax=98%),预处理 BSO 或游离 AS1411 后降解消失。该实验与图 3 的验证逻辑一致,证实新靶点的降解同样依赖 GSH 激活和靶向摄取,强化了平台的通用性,证明其可用于 PARP1 相关癌症的治疗。随后进一步扩展靶点类型至 “不可成药” 蛋白 (图4d) :针对转录因子 NF-κB(无小分子高亲和力配体),设计叠氮修饰的 DNA 适配体配体(P5,可特异性结合 NF-κB),构建核酸基 ABC-PROTAC。该设计突破了小分子 warhead 的限制,体现平台对 “不可成药” 靶点的适应性。接着作者验证核酸基前体的合成 (图4e) :凝胶电泳显示,CuAAC 反应后出现预期大小的 dNF-κB 条带,无催化剂时无产物。证实核酸类前体同样能通过生物正交催化组装。并且确认核酸基 PROTAC 的胞内合成 (图4f) :检测到 dNF-κB 的准分子离子峰([M+NH₄]⁺=17793.0),与理论分子量(17775.5)一致。最后验证核酸基 ABC-PROTAC 的活性 (图4g) :dNF-κB 以浓度依赖方式降解 NF-κB p65(DC₅₀=380 nM,Dmax=93%),预处理 BSO、AS1411、MG132 或 MLN4924 后降解被抑制。该实验完成了 “核酸基设计→合成→降解” 的验证,证明 ABC-PROTAC 可适配小分子和核酸类 warhead,靶向不同类型癌蛋白(包括 “不可成药” 转录因子),极大扩展了 PROTAC 技术的靶标范围。
图5. ABC-PROTAC 的体内抗肿瘤疗效
首先作者制定了标准化的体内验证方案 (图5a) :MDA-MB-231 荷瘤裸鼠随机分为 4 组(n=5),每 3 天静脉注射 APCLs(ABC-PROTAC)、预合成 dBRD4、AS1411 - 脂质体(空载体)或生理盐水,持续 12 天,监测肿瘤体积和体重。接着在基于此方案下,评估治疗效果 (图5b-e) :APCLs 组肿瘤重量(0.16 g)显著低于预合成 dBRD4 组(0.32 g),肿瘤抑制率(TIR=67.7%)高于 dBRD4 组(47.4%);空载体和生理盐水组肿瘤无明显抑制。该实验直接证实 ABC-PROTAC 的体内抗肿瘤疗效,为临床转化提供体内证据。接着作者探究了体内疗效的机制 (图5f) :APCLs 组肿瘤组织中 BRD4 表达下调约 60%,caspase-3 cleavage 水平是 dBRD4 组的 1.29 倍。该实验将体内肿瘤抑制效果与体外降解机制关联,证实体内疗效同样源于 BRD4 降解和凋亡激活,确保 “体外机制→体内效果” 的一致性。紧接着可视化体内凋亡效果 (图5g) :APCLs 组肿瘤组织的 TUNEL 阳性细胞比例(77.4%)显著高于 dBRD4 组(43.1%),空载体组几乎无凋亡信号。最后作者解释体内疗效优势的原因 (图5h-i) :APCLs 组肿瘤内 PROTAC 的浓度 - 时间曲线下面积(AUC)是 dBRD4 组的 2.94 倍,而血浆、心脏、肝脏等正常组织中 PROTAC 浓度显著低于 dBRD4 组。该实验证实 ABC-PROTAC 的肿瘤靶向递送和原位合成能提升肿瘤内药物暴露,降低全身分布,解释了 “体内疗效高、毒性低” 的核心原因 ——PROTACs 仅在肿瘤内生成并积累,正常组织中含量极低。
作者针对 PROTAC 渗透性差、脱组织毒性高的问题,开发 ABC-PROTAC 平台:以 AS1411 脂质体共封装 PROTAC 前体与 GSH 激活的 Click-T-Cu (II),在癌细胞内原位合成 PROTAC。该平台可降解 BRD4、PARP1、NF-κB,体外选择性高,体内对 MDA-MB-231 荷瘤鼠抑瘤率达 67.7%,且毒性低,为精准抗癌提供了新策略。
本文作者:Dengchao
原文地址: https://doi.org/10.1021/jacs.5c15945