碳酸酐酶靶向探针的研究进展

doi:10.7503/cjcu20220557

摘要/Abstract

摘要：

碳酸酐酶作为一类在肿瘤中高表达的酶, 参与肿瘤组织中乏氧、微酸性等环境的调节, 已成为肿瘤诊断与治疗的一类重要靶点. 本文简要概述了碳酸酐酶的生物学功能, 并总结了目前针对碳酸酐酶所构建的不同类型的分子探针, 以及其在肿瘤成像与治疗应用中的研究进展. 最后, 对靶向碳酸酐酶探针研究所面临的挑战和未来可能的研究方向进行了展望.

关键词: 碳酸酐酶, 肿瘤, 分子影像, 荧光探针, 诊疗

Abstract:

Carbonic anhydrases（CAs） are a class of enzymes， which are over-expressed in many tumor cells， participating in the regulation of hypoxic and acidic tumor microenvironments. CAs have become as an important type of targets for tumor diagnosis and treatment. Here， we briefly introduced the biological functions of CAs， and summarized the recent advances in the development of CAs-targeting molecular probes for tumor imaging and therapy. Moreover， the current challenges and perspectives in designing new CAs-targeted probes for cancer theranostics were also discussed.

Key words: Carbonic anhydrases（CAs）, Tumor, Molecular imaging, Fluorescent probe, Theranostics

中图分类号:

O657

TrendMD:

杨燕玲, 叶德举. 碳酸酐酶靶向探针的研究进展. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220557.

YANG Yanling, YE Deju. Recent Advances in the Development of Molecular Probes for Targeting Carbonic Anhydrases. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220557.

图/表 5

Fig.1 Crystal structure of human CA II[Ribbon cartoon representation of the crystal structure of CA II(PDB ID: 3KS3), blue spheres: Zn2+ ion](A), proposed mechanism of CA II⁃catalyzed conversion of CO2 to HCO3－(B)[9], cartoon illustration of the role of CAs in regulating extracellular(pHe) and intracellular pH(pHi)(C)[15]（A， B） Copyright 2012， Taylor & Franics；（C） Copyright 2020， Springer Nature.

Fig.2 Chemical structure and schematic illustration of probe 1 for the detection of CA II(A), fluorescence spectra change of probe 1 upon addition of CA II(B), confocal laser scanning microscope(CLSM) images of MCF7 cells incubated with probe 1 in the absence or presence of EZA(C)[20], chemical structures of AZ⁃BPS and BPS(D), fluorescence imaging of MDA⁃MB⁃231 tumor⁃bearing nude mice after intravenous injection of AZ⁃BPS or BPS(left), ex vivo fluorescence imaging of main organs resected from MDA⁃MB⁃231 tumor⁃bearing mice in the left[i: tumor(yellow circle), ii: liver, iii: lung, iv: kidney, v: heart, vi: spleen, vii: testis](right)(E)[22]（A—C） Copyright 2014， American Chemical Society；（D， E） Copyright 2017， American Chemical Society.

Fig.3 Schematic illustration of preparation of OPNi via nanoprecipitation approach(A), in vivo near⁃infrared fluorescence imaging of MDA⁃MB⁃231 tumors in living mice after intravenous administration of OPNi or OPNc(B), tumor growth curves in mice after treatment with indicated conditions(C), immunofluorescent staining(green fluorescence) of caspase⁃3 in tumor tissues resected from mice after different treatments(blue fluorescence: nuclei)(D)[23]Copyright 2019， Wiley⁃VCH.

Fig.4 Schematic illustration of CA IX⁃targeting self⁃assembly of N⁃pepABS for the treatment of hypoxia tumors(A), the chemical structure of N⁃pepABS(B), photographs and average tumor weight of non⁃treated 4T1 tumors(Con) and N⁃pepABS⁃treated 4T1 tumors(C), the changes of tumors volumes in MDA⁃MB⁃231 tumor⁃bearing mice upon nontreatment(Con) or treatment with DOX, N⁃pepABS, N⁃pepABS together with DOX(D)[28]Copyright 2019， Science Publishing Group.

Fig.5 Chemical structures of Pt1 and Pt2(A), changes of the tumor volume in mice following nontreatment(control) of tail vein injection with Pt1, Pt2, Cisplatin or Oxaliplatin(B)[29], illustration of DOX@MSNs⁃CAIX for CA IX⁃targeted drug delivery and GSH⁃controlled release of DOX in tumors(C), the average tumor weight on 11 d after treatment with PBS, DOX@MSNs or DOX@MSNs⁃CAIX(D) [30]（A， B） Copyright 2020， Wiley⁃VCH；（C， D） Copyright 2020， Springer Nature.

参考文献 30

1	Köhler K.， Hillebrecht A.， Wischeler J. S.， Innocenti A.， Heine A.， Supuran C. T.， Klebe G.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2007， 46（40）， 7697—7699
2	Supuran C. T.， Ilies M. A.， Scozzafava A.， Eur. J. Med. Chem.， 1998， 33（9）， 739—751
3	Supuran C. T.， Scozzafava A.， Ilies M. A.， Briganti F.， J. Enz. Inhib.， 2000， 15（4）， 381—401
4	Scozzafava A.， Briganti F.， Ilies M. A.， Supuran C. T.， J. Med. Chem.， 2000， 43（2）， 292—300
5	Winum J. Y.， Temperini C.， Cheikh K. E.， Innocenti A.， Vullo D.， Ciattini S.， Montero J. L.， Scozzafava A.， Supuran C. T.， J. Med. Chem.， 2006， 49（24）， 7024—7031
6	Sączewski F.， Sławiński J.， Kornicka A.， Brzozowski Z.， Pomarnacka E.， Innocenti A.， Scozzafava A.， Supuran C. T.， Bioorg. Med. Chem. Lett.， 2006， 16（18）， 4846—4851
7	De Simone G.， Vitale R. M.， Di Fiore A.， Pedone C.， Scozzafava A.， Montero J. L.， Winum J. Y.， Supuran C. T.， J. Med. Chem.， 2006， 49（18）， 5544—5551
8	Soufari H.， Parrot C.， Kuhn L.， Waltz F.， Hashem Y.， Nat. Commun.， 2020， 11（1）， 5195
9	Aggarwal M.， McKenna R.， Expert Opin. Ther. Pat.， 2012， 8（22）， 903—915
10	Proescholdt M. A.， Merrill M. J.， Stoerr E. M.， Lohmeier A.， Pohl F.， Brawanski A.， Neuro⁃oncol.， 2012， 14（11）， 1357—1366
11	McIntyre A.， Patiar S.， Wigfield S.， Li J. L.， Ledaki I.， Turley H.， Leek R.， Snell C.， Gatter K.， Sly W. S.， Vaughan⁃Jones R. D.， Swietach P.， Harris A. L.， Clin. Cancer Res.， 2012， 18（11）， 3100—3111
12	Hussan S. A.， Ganesan R.， Reynolds G.， Gross L.， Stevens A.， Pastorek J.， Murray P. G.， Perunovic B.， Anwar M. S.， Billingham L.， James N. D.， Spooner D.， Poole C. J.， Rea D.W.， Palmer D. H.， Br. J. Cancer， 2007， 96， 104—109
13	Takacova M.， Bartosova M.， Skvarkova L.， Zatovicova M.， Vidlickova I.， Csaderova L.， Barathova M.， Breza J.， Bujdak P.， Pastorek J.， Pastorekova S.， Oncol. Lett.， 2013， 5（1）， 191—197
14	Winum J. Y.， Dogné J. M.， Casini A.， de Leval X.， Montero J. L.， Scozzafava A.， Vullo D.， Innocenti A.， Supuran C. T.， J. Med. Chem.， 2005， 48（6）， 2121—2125
15	Becker H. M.， Br. J. Cancer， 2020， 122（2）， 157—167
16	Becker H. M.， Deitmer J. W.， Int. J. Mol. Sci.， 2021， 22， 3171
17	Chen K. T.， Seimbille Y.， Int. J. Mol. Sci.， 2022， 23， 6125
18	Mishra C. B.， Tiwari M.， Supuran C. T.， Med. Res. Rev.， 2020， 40， 2485—2565
19	Lemon N.， Canepa E.， Ilies M. A.， Fossati S.， Front. Aging Neurosci.， 2021， 13， 772278
20	Yoshii T.， Mizusawa K.， Takaoka Y.， Hamachi I.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136（47）， 16635—16642
21	Hou T. C.， Wu Y. Y.， Chiang P. Y.， Tan K. T.， Chem. Sci.， 2015， 6， 4643—4649
22	Jung H. S.， Han J.， Shi H.， Koo S.， Singh H.， Kim H. J.， Sessler J. L.， Lee J. Y.， Kim J. H.， Kim J. S.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139， 7595—7602
23	Jiang Y. Y.， Li J. C.， Zeng Z. L.， Xie C.， Lyu Y.， Pu K.Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 8161—8165
24	Wang H.， Feng Z.， Xu B.， Chem. Soc. Rev.， 2017， 46， 2421—2436
25	Medina S. H.， Miller S. E.， Keim A. I.， Gorka A. P.， Schnermann M. J.， Schneider J. P.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2016， 55， 3369—3372
26	Zheng Z.， Chen P.， Xie M.， Wu C.， Luo Y.， Wang W.， Jiang J.， Liang G.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138， 11128—11131
27	Ji T.， Zhao Y.， Ding Y.， Wang J.， Zhao R.， Lang J.， Qin H.， Liu X.， Shi J.， Tao N.， Qin Z.， Nie G.， Zhao Y.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2016， 55， 1050—1055
28	Li J. Y.， Shi K. J.， Sabet Z. F.， Fu W. J.， Zhou H. G.， Xu S. X.， Liu T.， You M.， Cao M. J.， Xu M. Z.， Cui X. J.， Hu B.， Liu Y.， Chen C. Y.， Sci. Adv.， 2019， 5， eaax093
29	Cao Q.， Zhou D. J.， Pan Z. Y.， Yang G. G.， Zhang H.， Ji L. N.， Mao Z. W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（42）， 18556—18562
30	Chen M. M.， Hu J. X.， Wang L. J.， Li Y. R.， Zhu C. H.， Chen C.， Shi M.， Ju Z.C.， Cao X. C.， Zhang Z. Q.， Sci. Rep.， 2020， 10（1）， 14447

[1]	赵永梅, 穆叶舒, 洪琛, 罗稳, 田智勇. 双萘酰亚胺衍生物用于检测水溶液中的苦味酸[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210765.
[2]	唐倩, 但飞君, 郭涛, 兰海闯. 喹啉酮-香豆素类Hg²⁺比色荧光探针的合成及应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210660.
[3]	常通航, 程震. 整合荧光成像和化疗的有机小分子诊疗探针的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220430.
[4]	徐心昱, 张乐天, 曹晖, 马原, 刘柳卉, 宋国胜, 张晓兵. 脂质响应型探针用于动脉粥样硬化成像及治疗的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220383.
[5]	李成, 周森森, 蒋锡群. 乏氧光学影像探针的设计与应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220558.
[6]	徐海东, 王睿, 梁高林. 自组装多肽探针在磁共振成像中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220440.
[7]	姚善昆, 丁伟忠, 吴延平, 陈韵聪, 郭子建. 硫代部花菁类染料生物成像及诊疗的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220568.
[8]	李奥, 李凌轩, 左翠翠, 陈传凯, 樊一凡, 步逸凡, 林泓域, 高锦豪. 基于硼酸酯的¹⁹F磁共振分子探针的设计合成及活体深组织活性氧物种的激活响应成像[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220545.
[9]	汪诗琪, 罗博文, 俞计成, 顾臻. 近红外二区活体荧光成像在肿瘤诊疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220577.
[10]	董明杰, 王璇, 董海峰, 张学记. 金属-有机框架材料在癌症诊疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220575.
[11]	唐玉静, 胡敏, 王霞, 王启刚. 载酶纳米催化体系用于疾病诊疗的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220640.
[12]	王迪, 钟克利, 汤立军, 侯淑华, 吕春欣. 席夫碱共价有机框架的合成及对I ^‒ 的识别[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220115.
[13]	李安然, 赵冰, 阚伟, 宋天舒, 孔祥东, 卜凡强, 孙立, 殷广明, 王丽艳. 基于菲并咪唑的ON⁃OFF⁃ON双比色荧光探针及细胞成像[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2403.
[14]	黄珊, 姚建东, 宁淦, 肖琦, 刘义. 石墨烯量子点荧光探针对碱性磷酸酶活性的高效检测[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2412.
[15]	蔡瑞, 刘建波, 吴晓春. 贵金属基纳米酶的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 1188.