铂配合物通过抑制乳酸代谢调控免疫微环境

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能量代谢是肿瘤细胞抵抗凋亡、产生耐药性和发生转移的关键环节,因此也是抗肿瘤药物的潜在作用靶标。调控能量代谢可以改变肿瘤微环境(TME),切断能量供应,抑制肿瘤细胞增殖并促进其凋亡。糖酵解产生的大量乳酸能促进酸性TME的形成,进而促进肿瘤进程。高浓度的乳酸被转运进细胞,经代谢后可为肿瘤生长提供物质和能量,促进肿瘤侵袭和转移;在TME中,乳酸不仅能促进肿瘤血管生成,而且能诱导和募集免疫抑制相关细胞和分子,促进肿瘤发展。因此,抑制肿瘤细胞中乳酸生成或积累是治疗肿瘤的潜在手段。

乳酸脱氢酶(LDH)是参与糖酵解的关键酶,可以协助肿瘤细胞摄取葡萄糖,生成乳酸,所以抑制LDH是降低细胞内乳酸含量的关键。LDH是一种由LDHA和LDHB组成的四聚体酶,LDHA在肿瘤中上调,并与肿瘤细胞的侵袭性相关,而LDHB在所有细胞中均有表达。乳酸的跨膜转运主要由单羧酸转运蛋白MCT1和MCT4介导,由此实现对糖酵解的调控。MCT1对乳酸有较高亲和力,根据乳酸浓度决定其转运方向(内流或外排);MCT4主要促进高糖酵解细胞的乳酸外排。

铂类抗肿瘤药物是临床治疗肿瘤的主要化疗药物,但是存在耐药性和系统毒性等问题。四价铂类配合物具有化学惰性强、易于功能化等特点,有望成为二价铂类药物的替代品。非甾体抗炎药双氯芬酸(DCF)在癌症治疗中具有多种潜在的用途,包括抑制LDH、降低葡萄糖摄取和乳酸分泌等。南京大学王晓勇教授课题组最近将铂类抗肿瘤药顺铂(CDDP)与DCF偶联,得到两种能够抑制乳酸生成、调控肿瘤能量代谢、改善免疫抑制性微环境的代谢免疫调节剂MDP和DDP(图1)。

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图1. MDP和DDP的合成路线


MDP和DDP对包括人卵巢癌细胞(SKOV-3)在内的多种肿瘤细胞具有很强的抗增殖活性,可以通过损伤DNA和抑制其修复诱导肿瘤细胞凋亡。更重要的是,这两种配合物能抑制SKOV-3细胞中LDHA和LDHB的表达、降低其活性,并显著抑制MCT1和MCT4的表达,说明它们不仅能抑制肿瘤细胞中乳酸的产生,而且能抑制乳酸内流或外排(图2A-D)。由于乳酸可以促进线粒体氧化磷酸化作用,为肿瘤细胞增殖提供能量供应,抑制乳酸生成和转运则意味着抑制糖酵解和氧化磷酸化过程,切断肿瘤的能量供应。实验证明,MDP和DDP能有效抑制肿瘤细胞中ATP的生成(图2E、F)。

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图2. 化合物(0.6 μM)对SKOV-3细胞中LDH(A)和单羧酸转运蛋白MCT表达(B)、LDH活性(C)、乳酸水平(D)以及糖酵解(E)和氧化磷酸化(F)的影响,说明MDP和DDP可以抑制肿瘤细胞中乳酸脱氢酶的表达和活性、下调单羧酸转运蛋白的表达、减少乳酸的内流与外排、干预肿瘤糖代谢、有效抑制肿瘤细胞中ATP的生成。


巨噬细胞是TME中最丰富的免疫细胞,它们可以感知TME中的乳酸,继而触发细胞内信号转导,引起细胞行为改变。经过配合物处理的SKOV-3细胞培养液能够增加M1型巨噬细胞标志物CD86和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达、促进肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的分泌、抑制转化生长因子-β1(TGF-β1)的生成、并增加巨噬细胞中干扰素γ(IFN-γ)的分泌(图3),说明MDP和DDP抑制肿瘤细胞乳酸生成能够促进THP-1巨噬细胞从M2表型向M1表型极化,通过诱导TME中特定基因的表达增强抗原呈递,进而增强巨噬细胞对肿瘤细胞的吞噬和杀伤能力。

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图3. 化合物(0.6 μM)处理SKOV-3细胞后上层清液对THP-1巨噬细胞中CD86和iNOS蛋白表达的影响(A)以及对巨噬细胞分泌TNF-α(B)、TGF-β1(C)和IFN-γ(D)的影响,表明MDP和DDP对肿瘤细胞中乳酸生成的抑制可以改变TME,使肿瘤相关巨噬细胞由M2表型向M1表型转变,免疫应答能力增强。

 
TME中的乳酸可通过增加巨噬细胞中血管内皮生长因子(VEGF)的含量促进血管生成,并通过增强巨噬细胞中精氨酸酶(ARG1)的表达促进肿瘤细胞增殖,进而增强对T淋巴细胞的免疫抑制。在肿瘤缺氧条件下,缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)能够调节巨噬细胞中VEGF和ARG1的转录,通过诱导血管生成支持肿瘤生长,并为其增殖提供底物。MDP和DDP可以显著下调HIF-1α和ARG1的表达、降低VEGF的含量,证明它们具有抑制肿瘤血管生成和生长的潜力(图4)。

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图4. 化合物处理SKOV-3细胞后上层清液对THP-1巨噬细胞中HIF-1α(A)和ARG1(B)表达及VEGF含量的影响(C),说明TME中乳酸减少后,能够降低巨噬细胞中促血管生长因子VEGF的含量和精氨酸酶的表达,从而抑制肿瘤血管生成。

 
最后,动物试验表明,MDP和DDP可以使Balb/C小鼠SKOV-3卵巢癌移植肿瘤体积减小,具有较高的体内抗肿瘤活性(图5)。

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图5. MDP和DDP(1.5 mg Pt/kg)对Balb/C小鼠SKOV-3卵巢癌移植肿瘤生长的抑制作用(15天),证明其具有很强的体内抗肿瘤活性。


乳酸不仅是糖酵解的关键代谢产物,也是肿瘤微环境和免疫细胞功能的调节剂。过量乳酸形成的酸性TME是影响肿瘤免疫监视和免疫逃逸的不利因素。乳酸脱氢酶催化丙酮酸生成乳酸是糖酵解的关键过程,在调节巨噬细胞极化和肿瘤免疫监视等多种生物过程中起着关键作用。抑制乳酸脱氢酶活性可以阻止乳酸生成,从而抑制能量代谢,并缓解免疫抑制。本研究根据这一原理设计的四价铂配合物MDP和DDP通过调节肿瘤糖代谢或乳酸代谢重塑肿瘤微环境,为克服铂类抗肿瘤药物的缺点提供了可行策略,是开发抗肿瘤药物的新途径。

参考文献:

Chem. Sci.202314(DOI: 10.1039/D3SC01874A)

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