大学化学, 2020, 35(1): 40-46 doi: 10.3866/PKU.DXHX201905024

知识介绍

抗癌药物的先驱——顺铂

郭世祺, 马荔,

The Pioneer of Anticancer Drugs: Cisplatin

Guo Shiqi, Ma Li,

通讯作者: 马荔, Email: mali@sjtu.edu.cn

收稿日期: 2019-05-6   接受日期: 2019-06-13  

Received: 2019-05-6   Accepted: 2019-06-13  

摘要

顺铂在人类抗癌历程中发挥着里程碑式的作用,本文重点介绍顺铂的作用机理、致毒机理和细胞对其产生耐药性的机理,并由此指出铂类药物所存在的缺陷以及发展方向。

关键词: 顺铂 ; 作用机理 ; 致毒机理 ; 耐药性

Abstract

This review provides a brief view of the cisplatin's mechanism of action, toxicity and drug resistance of cells, and points out the defects and the developing direction of the anticancer platinum drugs.

Keywords: Cisplatin ; Mechanism of action ; Mechanism of toxication ; Drug resistance

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郭世祺, 马荔. 抗癌药物的先驱——顺铂. 大学化学[J], 2020, 35(1): 40-46 doi:10.3866/PKU.DXHX201905024

Guo Shiqi. The Pioneer of Anticancer Drugs: Cisplatin. University Chemistry[J], 2020, 35(1): 40-46 doi:10.3866/PKU.DXHX201905024

金属铂与人类的历史可以追溯到18世纪,在当时因为其化学性质不活泼而被科学家用作惰性电极。直到1965年Barnett Rosenberg发现了顺铂对细胞增殖的抑制作用,铂才逐渐以抗癌药物的角色进入人们的视线范围之内,并且在经过临床试验后于1978年经FDA批准成为临床使用的第一代铂类抗癌药物,具有结构简单、机理明确、低毒等优点,成功掀起了人们对铂类药物研究的热潮。可以说顺铂开启了铂类抗癌药物的先河,为人类战胜癌症提供了一个崭新的方向。

1 顺铂——发现

早在1844年,顺铂就由M. Peyrone成功合成,但是直到1965年,才被Barnett Rosenberg发现它的生物作用。Barnett Rosenberg是一位物理学家,一次工作调动使他参与到建设生物物理系的大学工作中,他将物理学知识运用到生物实验中。顺铂发现的历程如图1所示[1, 2]。经过Barnett Rosenberg和一些化学家、生物学家的共同努力,终于证明了顺铂对细胞繁殖有抑制作用。可以说,顺铂是不同学科之间思维碰撞出的火花。

图1

图1   顺铂的发现历程[1, 2]


顺铂,顺式二氯二氨合铂(Ⅱ),Pt2+最外层电子排布是3d8,以dsp2杂化形成平面四边形结构,是一种棕黄色粉末,密度为3.7 g∙cm−3,微溶于水,结构见图2[3]。常与其他细胞毒性药物联合用于治疗睾丸癌、卵巢癌、子宫内膜癌、宫颈癌、膀胱癌、颈部癌、胃肠癌、肺癌[4]

图2

图2   顺铂的结构[3]


1995年WHO (世界卫生组织World Health Organization)对上百种治癌药物进行排名,顺铂的综合评价(疗效、市场等)位居榜前列第2位,并且因其在癌症中的广泛使用被称为“癌症青霉素”[5],尤其是在治疗睾丸癌和卵巢癌方面,其初期治愈率分别为100%以及85%左右[6]

2 顺铂与癌细胞斗争的“策略”

顺铂想要成功地“击杀”癌细胞,大致需要经过四个过程:被细胞摄取、自身在细胞内水解活化、与目标DNA结合、躲避癌细胞修复蛋白,见图3[7]

图3

图3   顺铂进入细胞并与细胞作用的机理[7]


2.1 “潜入”细胞内部——被细胞摄取

因为不同的实验研究得到的结果并不尽相同,所以顺铂转运的机理目前并不完全清楚。但是目前大家比较公认的顺铂进入细胞的方式是被动扩散和主动运输两种方式相结合。

早期研究发现顺铂的摄取量与时间呈线性关系,与浓度呈正相关,而且不具有饱和值[8],这一现象呈现典型的被动运输过程,因而早期人们认为顺铂是通过被动扩散进入细胞的,并且由于顺铂的脂溶性较低[9],所以通过细胞表面的磷脂双分子层的速度较慢。但是动力学方面的研究结果让人们猜测顺铂的运输方式不只有被动扩散。经过大量实验,人们发现铜转运蛋白Ctr1可以作为顺铂进入细胞的载体:Ctr1表达的缺失使得酵母和哺乳动物细胞对铜、顺铂、卡铂和奥沙利铂具有抗性[10],Ctr1的过表达使得细胞对顺铂类药物的毒性敏感[11]证明顺铂进入细胞的方式并不唯一,有一部分的顺铂是以细胞表面的铜转运蛋白Ctr1为转运蛋白进入细胞的。

2.2 “轻装上阵”——水解活化

单纯的顺铂活性较低,并不能很好地发挥其作用,因此顺铂在进入细胞后会发生部分水解,细胞内的水分子会进攻氯配位体,得到[Pt(NH3)2(H2O)Cl]和[Pt(NH3)2(H2O)2]。从动力学角度分析,顺铂水解得到[Pt(NH3)2(H2O)Cl]的过程是一个二级反应,该反应的反应速率取决于氯离子和顺铂的浓度,环境中氯离子浓度越大,反应速率越小。而细胞外液中的氯离子浓度约为100 mmol∙L−1,细胞内的氯离子浓度约为4–50 mmol∙L−1[12],所以顺铂在细胞内的水解速率会远大于在细胞外的水解速率,这在一定程度上也保证了顺铂的作用范围基本上是在细胞内。

2.3 “正面迎击”——与靶DNA的结合

目前大家所公认的是,顺铂是通过与DNA结合生成Pt/DNA结合物破坏DNA结构的方式来阻止细胞的增殖。DNA是双螺旋结构,存在A-T、C-G两种碱基对,而四种碱基中均含有可以和Pt形成配位键的配位原子,其中7号位的氮活性最高,而药物对N1和N3也有一定的亲和性(图4) [13]

图4

图4   DNA的两种碱基互补配对方式[13]


其中顺铂易形成1, 2-[Pt(NH3)2]-d(GpG)链内交联产物(图5),从而使DNA维持解旋或发生弯曲,降低DNA的稳定性,最后达到使DNA不能正常发挥作用的目的。

图5

图5   顺铂与DNA两个鸟嘌呤N7链内交联的示意图


不仅如此,研究表明顺铂也可以诱导细胞产生ROS(活性氧)从而触发细胞死亡,并且顺铂作用的浓度和维持的时间直接影响ROS的形成[14]。一般来说,细胞内氧化还原的稳态由含巯基(—SH)的分子维持,在某些条件下,巯基可以形成巯基自由基,它又可以进一步与分子氧相互作用产生活性氧(ROS)。而如果ROS浓度增高,会使细胞在氧化应激状态下破坏它的正常生物学功能[15]。进入细胞后可以攻击抗氧化酶系统,引发活性氧自由基大量产生,这些失控的氧自由基进一步激活促炎症因子和促凋亡因子;同时细胞内级联的氧化应激反应导致线粒体大量释放细胞色素c和内质网钙池开放,后者进一步促进了细胞色素c的释放,从而形成正反馈,促使级联反应进一步放大,最终引起细胞凋亡[14]

2.4 癌细胞的“反击”——细胞内修复蛋白对Pt/DNA的响应

由于DNA在正常解旋复制的过程中不可避免地会出现差错,所以绝大多数细胞中均含有DNA损伤修复机制,即会存在修复蛋白对损伤的DNA进行修复,而顺铂的抗癌效果就是体现在破坏DNA的正常结构上。因此若要成功使癌细胞死亡,必须要克服的就是躲避修复蛋白对Pt/DNA结合物的修复。已知可以识别Pt/DNA结合物的物质有DNA损伤修复蛋白、高速涌动蛋白和转录因子PARP1 [16]等。针对这些,人们也研究出了对修复蛋白起抑制作用的物质,其中最典型的就是HMGB1,它可以屏蔽修复蛋白对Pt/DNA结合物的识别,从而为顺铂成功发挥作用提供了保障。

3 “伤敌一千,自损八百”——顺铂的致毒机理

因为顺铂与DNA的结合并不具有特异识别性,所以顺铂与癌细胞的战争呈现典型的“伤敌一千,自损八百”。

顺铂除了会和癌细胞中的DNA发生反应,也会与正常进行细胞增殖的细胞DNA反应;除此之外,顺铂在成功导致细胞凋亡后会参与到代谢过程中进而排出体外。但由于铂为重金属会累积在体内,顺铂会对正常的生理活动造成干扰甚至是对人体其他部位造成损伤,其中最常见的毒性表现在肾毒性、耳毒性和神经毒性。提高顺铂的用药浓度可以增大癌细胞的细胞凋亡率,但同时对人体的损伤也会更大,所以了解顺铂的致毒机理,也可以更好地选择临床上的用药剂量。

3.1 肾毒性

肾脏是人体重要的代谢器官,在体内残余的顺铂排出体外的过程中,绝大多数顺铂会经过肾脏。依据上文可知,顺铂的浓度越高,它的毒性也就越高,而在肾脏中由于肾小管和集合管对水分的重吸收,顺铂在肾中的浓度大大提高,使得顺铂对细胞产生的毒性大大增强,这也为顺铂的肾毒性提供了理论基础。

顺铂引起肾毒性的机制主要包括细胞毒作用、氧化应激和细胞凋亡。氧化应激是指在顺铂进入肾小管细胞后可迅速与含巯基的抗氧剂谷胱甘肽、金属硫蛋白等反应,使其降解或失活,同时某些抗氧化的酶活性降低甚至发生酶的失活,这些都导致氧自由基增多。自由基引起肾损伤的作用表现在:①膜脂质过氧化反应和膜蛋白功能的受损以及线粒体膜脂质过氧化导致线粒体功能抑制;②蛋白质功能抑制;③破坏核酸及染色体[17]。这会导致细胞内与呼吸作用相关的酶受损进而影响呼吸作用产生ATP (腺嘌呤腺苷三磷酸),膜脂质过氧化反应和膜蛋白功能的受损则会影响细胞膜结构,进而引起细胞凋亡。

目前临床上对于顺铂导致的肾毒性主要采取水化疗法,即给予大量补液来达到缩短顺铂在肾脏中的停留时间、降低顺铂在肾脏中的浓度的目的,使顺铂尽快排出体外,从而降低顺铂的肾毒性。

3.2 耳毒性

大量动物实验证明,顺铂可使实验动物发生听觉障碍并伴随听觉器官的永久性损害。内耳病理检查发现,这些损害主要发生在耳蜗毛细胞和螺旋神经节细胞上[18]。实验证实顺铂耳中毒在早期出现的听功能障碍中除了发生听神经动作电位阈值的升高和耳蜗微音器电位的振幅下降之外,还伴随着内淋巴电位的降低,提示顺铂对蜗管外壁上的血管纹也有损害作用。形态学检查发现在顺铂破坏血管纹的过程中,所有被破坏的血管纹上皮都具有细胞凋亡的特征,这些发生在血管纹的细胞凋亡现象被认为是由于顺铂刺激了上皮细胞的钾通道而造成细胞内的钾外流,从而使细胞内的离子浓度和渗透压发生改变,并因此激活了细胞内凋亡酶的活动[19]。总而言之,顺铂引起的耳毒性表现在多个方面,这体现了顺铂的致毒机理具有复杂性和多样性。

顺铂引起的感音神经性聋在肿瘤患者当中占有相当大的比例,尤其较多出现在大剂量应用顺铂之后,因此在临床实际应用中应注意合理用药,并根据肿瘤患者的具体病情和全身健康状况,适当采用分割小剂量全身用药或者采用局部用药、注意监控和维持患者的肾功能等措施,将有助于把顺铂的耳毒性副作用控制在最低水平[20]

4 癌细胞的“侦察”和“防御”——细胞对顺铂耐药性产生的机理

细胞对顺铂产生耐药性是目前研究铂类药物所面临的一个重大难题,因为人体一旦产生耐药性,就意味着药物的疗效降低,需要增大用量或者更换药物,这将带来一系列的负面影响,所以研究细胞对顺铂耐药性产生的机理可以帮助我们更好地研究抑制细胞耐药性的方法。研究表明细胞产生耐药性的机理主要有:蛋白或者生物小分子使顺铂失活和Pt/DNA结合物被细胞内修复系统修复。

蛋白或者生物小分子使顺铂失活:细胞内的蛋白质大多含有硫元素,而铂类配合物对硫有着极高的亲和性,硫极易作为配位原子与铂形成新的配合物从而使顺铂失活,进而导致细胞耐药性的产生;Pt/DNA结合物被细胞内修复系统修复:顺铂和DNA结合形成Pt/DNA结合物被细胞识别后导致细胞自动凋亡,但细胞内的修复蛋白可以抑制细胞凋亡,因而对于一些具有修复功能的癌细胞,修复蛋白的大量表达会增大细胞的耐药性。

5 结语

顺铂在人类抗癌历史上毋庸置疑地发挥了巨大作用,但是顺铂所带来的问题也显而易见:由于顺铂可以和人体内多种物质结合,真正作用于细胞DNA上的只有约1%,而这些细胞中癌细胞的比例则更小。但如果提高顺铂的浓度,对人体造成的损害将增大;顺铂的毒性较大,顺铂具有耳毒性、肾毒性、神经毒性等,并且具有不可逆性,也就是说一旦伤害造成将无法弥补;顺铂还可能导致人体的耐药性,随着用药时间的延长,它的效果将逐渐削弱;并且顺铂口服是不具有生物活性的,需要静脉注射,这为治疗也带来一定程度上的不便。

所以,在顺铂问世后的40年中,相继出现了第二代、第三代铂类药物,见图6。这些铂类药物的作用机理和顺铂大致相同,但是通过改变铂的配位体在耐药性、毒副作用等方面进行了改进,提高了铂类药物的适用性:卡铂可引起消化道反应,如恶心、呕吐,但较顺铂轻微,耳神经毒性及脱发也低于顺铂[21];部分对顺铂耐药的患者,应用奈达铂仍可取得较好的疗效,且在胃肠道等毒副反应方面显示了良好的低毒特性[22];相比于顺铂和卡铂,奥沙利铂具有抗癌活性更高、抗癌谱更广、毒副作用更低、耐受性更好等优点,且对顺铂耐药的肿瘤仍具有治疗效果[23];洛铂具有与顺铂、卡铂相似的抗人体卵巢癌活性,其抗癌活性与顺铂相当,明显强于卡铂,且与顺铂、卡铂无交叉耐药性[24]。但是前三代的铂类药物也都有其各自难以克服的缺点,因此,跳出传统铂类药物的局限进行创新式的研发是铂类药物的重要发展前景,比如对四价铂和反式铂的研究就是目前跳出传统铂类药物局限的两个研究方向。

图6

图6   铂类药物的发展历程


铂类药物中参与中心原子铂配位的各类配体是前三代铂类药物最大的不同所在,因为配体的不同会决定该药物不同的性质,比如分子极性、药物毒性等,而不同的配体其功能也不尽相同,那么如果可以提高配体的数目,是不是就可以增加药物分子的功能了呢?但是二价铂绝大多数是四配位化合物,所以科学家把焦点放到了Pt(Ⅳ)上,Pt(Ⅳ)成键时发生d2sp3杂化,可以形成八面体场稳定结构,稳定性要比平面正方形构型的Pt(Ⅱ)强,并且由于有六个配体,易于结构修饰,可方便地引入不同功能的基团优化药物结构。

并且有研究表明,部分反式铂类配合物可以与DNA形成链间交联产物以达到破坏DNA结构的目的,反式结构的铂配合物更容易与DNA形成链间交联加合物[25],这表明反式铂类抗癌药物具有不同于顺铂类药物的作用机理。而铂类药物和DNA不同的作用方式可以在较大程度上躲避细胞的DNA损伤修复机制,避免与其他铂类药物产生交叉耐药性。

顺铂作为铂类抗癌药物的先驱,为后人对癌症治疗的研究开拓了新道路——从DNA的角度出发,针对癌细胞的无限繁殖性来抑制癌细胞增长。而后人对铂类药物的创新性发展,使得铂类药物种类越来越多,特异性治疗的效果相较于顺铂有了明显进步,越来越贴合癌症患者的需求。我们有理由相信,随着对抗癌药物研究的不断深入,癌症将不再是绝症。

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