Investigations upon the Bioconjugation-based Construction Technologies and Applications of Aptamer-drug Conjugates

doi:10.7503/cjcu20210460

Abstract

Abstract:

Aptamers are called “chemical antibodies” and have similar or superior specificity and affinity as antibodies. And it can precisely target the target protein and specifically bind to the target protein. In addition， aptamers possess many advantages such as simple acquisition and synthesis， easy chemical modification， not easy to denature， a wide range of targets， low immunogenicity， and fast cell internalization. Therefore， aptamers have been widely utilized in various research fields. In the area of cancer therapy， aptamers， as an excellent target identification tool and drug delivery vehicle， can precisely deliver anticancer drugs to tumor tissues. By coupling the nucleic acid aptamer to the drug molecule， we can make the drug molecule enter the targeted cells along with the aptamer through the targeting effect of the aptamer， so as to achieve the enrichment of the drug molecule in the targeted cells， and then produce the growth inhibitory effect on the targeted cells. In recent years， aptamer-drug conjugates have evolved into a frontier emerging field of cancer targeted therapy. It is hoped that through the study of nucleic acid aptamer conjugated drugs， new perspectives in targeted cancer treatment will be provided. This article reviewed the studies on aptamer-drug conjugates constructed by bioconjugation technologies and their applications.

Key words: Aptamers-drug conjugate, Targeted therapy, Cancer

CLC Number:

O629.74

TrendMD:

ZHAO Zhuo, WANG Xueqiang. Investigations upon the Bioconjugation-based Construction Technologies and Applications of Aptamer-drug Conjugates[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(11): 3367.

Figures/Tables 12

References 84

1	Airley R.， Cancer Chemotherapy. Wiley-Blackwell， 2009， ISBN 978⁃0⁃470⁃09254⁃5
2	Elad S.， Zadik Y.， Hewson I.， Hovan A.， Correa M. E. P.， Logan R.， Elting L. S.， Spijkervet F. K. L.， Brennan M. T.， Support. Care Cancer， 2010， 18（8）， 993—1006
3	Schwartz R. S.， N. Engl. J. Med.， 2004， 350（11）， 1079—1080
4	Imai K.， Takaoka A.， Nat. Rev. Cancer， 2006，6（9），714—727
5	Schuler M.， Wu Y. L.， Hirsh V.， O’Byrne K.， Yamamoto N.， Mok T.， Popat S.， Sequist L. V.， Massey D.， Zazulina V.， Yang J. C. H.， J. Thorac. Oncol.， 2016， 11（3）， 380—390
6	Noronha V.， Patil V. M.， Joshi A.， Menon N.， Chougule A.， Mahajan A.， Janu A.， Purandare N.， Kumar R.， More S.， J. Clin. Oncol.， 2020， 38，（2）， 124—136
7	Bachelot T.， Romieu G.， Campone M.， Diéras V.， Cropet C.， Dalenc F.， Jimenez M.， Rhun E. L.， Pierga J. Y.， Gonçalves A.， Lancet Oncol.， 2013， 14， 64—71
8	Rizvi N. F.， Smith G. F.， Bioorg. Med. Chem. Lett.， 2017， 27（23）， 5083—5088
9	Mrinal M. Gounder M. M.， Mahoney M. R.， Tine B. A. T.， Vinod Ravi V.， Steven Attia S.， Deshpande H. A.， Abha A.， Gupta A. A.， Milhem M. M.， N. Engl. J. Med.， 2018， 379（25）， 2417—2428
10	Obradovic M.， Mrhar A.， Kos M.， Clin. Thera.， 2009， 31（12）， 2940—2952
11	Shan L. L.， Liu M.， Wu C.， Zhao L.， Li S. W.， Xu L. S.， Cao W. G.， Gao G. Z.， Gu Y. Q.， Int. J. Nanomedicine.， 2015， 10， 5571—5591
12	Lazo J. S.， McQueeney K. E.， Burnett J. C.， Wipf P.， Sharlow E. R.， Int. J. Biochem. Cell Biol.， 2018， 96， 171—181
13	Murugan R. N.， Park J. E.， Kim E. H.， Shin S. Y.， Cheong C.， Lee K. S.， Bang J. K.， Mol. Cells， 2011， 32（3）， 209—220
14	Ohnmacht S. A.， Neidle S.， Bioorg. Med. Chem. Lett.， 2014， 24（12）， 2602—2612
15	Lu Y. H.， Gao X. Q.， Wu M.， Zhang⁃Negrerie D.， Gao Q.， Mini. Rev. Med. Chem.， 2011， 11（7）， 611—624
16	Cazzamalli S.， Ziffels B.， Widmayer F.， Murer P.， Pellegrini G.， Pretto F.， Wulhfard S.， Neri D.， Clin. Cancer Res.， 2018， 24（15）， 3656—3667
17	Wang Y.， Cheetham A. G.， Angacian G.， Su H.， Xie L. S.， Cui H. G.， Adv. Drug Deliv. Rev.， 2017， 110， 112—126
18	Barve A.， Jain A.， Liu H.， Jin W.， Cheng K.， Nanomedicine： NBM， 2016， 12（8）， 2373—2381
19	Hoppenz P.， Els⁃Heindl S.， Beck⁃Sickinger A. G.， Front. Chem.， 2020， 8， 571
20	Burns K. E.， Hensley H.， Robinson M. K.， Thévenin D.， Mol. Pharmaceutics， 2017， 14， 2， 415—422
21	Kulhari H.， Pooja D.， Shrivastava S.， Telukutala S. R.， Barui A. K.， Patra C. R.， Vegi G. M. N.， Adams D. J.， Sistla R.， Nanomedicine： NBM， 2015， 11（6）， 1511—1520
22	Dissanayake S.， Denny W.A.， Gamage S.， Sarojini V.， J. Control. Release， 2017， 250， 62—76
23	Cox N.， Kintzing J. R.， Smith M.， Grant G. A.， Cochran J. R.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55（34）， 9894—9897
24	Li S. T.， Zhao H. L.， Mao X. X.， Fan Y. F.， Liang X. J.， Wang R. X.， Xiao L. J.， Wang J. P.， Liu Q.， Zhao G. Q.， Pharm. Res.， 2019， 36（12）， 168
25	Vrettos E. I.， Mező G.， Tzakos A. G.， Beilstein J. Org. Chem.， 2018，14， 930—954
26	Saunders L. R.， Bankovich A. J.， Anderson W. C.， Aujay M. A.， Bheddah S.， Black K.， Desai R.， Escarpe P. A.， Hampl J.， Laysang A.， Sci. Transl. Med.， 2015， 7（302）， 302ra136
27	Lambert J. M.， Chari R. V. J.， J. Med. Chem.， 2014， 57（16）， 6949—6964
28	Cardillo T. M.， Govindan S. V.， Sharkey R. M.， Trisal P.， Goldenberg D. M.， Clin. Cancer Res.， 2011， 17（10）， 3157—3169
29	Shor B.， Gerber H. P.， Sapra P.， Mol. Immunol.， 2015， 67（2）， 107—116
30	Faltas B.， Goldenberg D. M.， Ocean A. J.， Govindan S. V.， Wilhelm F.， Sharkey R. M.， Hajdenberg J.， Hodes G.， Nanus D. M.， Tagawa S. T.， Clin. Genitourin. Cancer， 2016， 14（1）， E75—E79
31	Kamath A. V.， Iyer S.， Pharm. Res.， 2015， 32（11）， 3470—3479
32	Chen W. H.， Sun Z.， Lu L. H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（11）， 5626—5643
33	Thomas A.， Teicher B. A.， Hassan R. T.， Lancet Oncol.， 2016， 17（6）， E254—E262
34	Lambert J. M.， Morris C. Q.， Adv. Ther.， 2017， 34（5）， 1015—1035
35	Hammood M.， Craig A. W.， Leyton J. V.， Pharmaceuticals， 2021， 14（7）， 674
36	Kalim M.， Chen J.， Wang S. H.， Lin C. Y.， Ullah S.， Liang K. Y.， Ding Q.， Chen S. Q.， Zhan J. B.， Drug Des. Dev. Ther.， 2017， 11， 2265—2276
37	Lv C.， Yang C.， Ding D.， Sun Y.， Wang R. W.， Han D.， Tan W. H.， Anal. Chem.， 2019， 91（21）， 13818—13823
38	Boswell C. A.， Mundo E. E.， Zhang C.， Bumbaca D.， Valle N. R.， Kozak K. R.， Fourie A.， Chuh J.， Koppada N.， Saad O.， Bioconjugate Chem.， 2011， 22（10）， 1994—2004
39	de Goeij B. E. C. G.， Satijn D.， Freitag C. M.， Wubbolts R.， Bleeker W. K.， Khasanov A.， Zhu T.， Chen G.， Miao D.， van Berkel P. H.C.， Mol. Cancer Ther.， 2015， 14（5）， 1130—1140
40	Beck A.， Goetsch L.， Dumontet C.， Corvaïa N.， Nat. Rev. Drug Discov.， 2017， 16（5）， 315—337
41	Ellington A. D.， Szostak J. W.， Nature， 1990， 346（6287）， 818—822
42	Tuerk C.， Gold L.， Science， 1990， 249（4968）， 505—510
43	Dunn M. R.， Jimenez R. M.， Chaput J. C.， Nat. Rev. Chem.， 2017， 1（10）， 0076
44	Wen W.， Huang D. D.， Bao J. X.， Zhang J. Z. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（7）， 2161—2169（温炜，黄达锭，鲍劲霄，张增辉. 高等学校化学学报， 2021，42（7）， 2161—2169）
45	Wang R. W.， Zhu G. Z.， Mei L.， Xie Y.， Ma H. B.， Ye M.， Qing F. L.， Tan W. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136（7）， 2731—2734
46	Cai S. D.， Yan J. H.， Xiong H. J.， Liu Y. F.， Peng D. M.， Liu Z. B.， Analyst， 2018， 143（22）， 5317—5338
47	Li L.， Xu S. J.， Yan H.， Li X. W.， Yazd H. S.， Li X.， Huang T.， Cui C.， Jiang J. H.， Tan W. H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（5）， 2221—2231
48	Nan M. N.， Bi Y.， Xue H. L.， Long H. T.， Xue S. L.， Pu L. M.， Prusky D.， Food Chem.， 2021， 337， 127761
49	Gao L.， Wang H. X.， Deng Z. B.， Xiang W. W.， Shi H. F.， Xie B.， Shi H. X.， New J. Chem.， 2020， 44（6）， 2571—2577
50	Duan C. J.， Jiao J.， Zheng J.， Li D. Y.， Ning L. M.， Xiang Y.， Li G. X.， Anal. Chem.， 2020， 92（22）， 15162—15168
51	Fu B. S.， Park Y.， Kim K. T.， Chen K.， Zou G. R.， Wei Q.， Peng S.， Chen Y. Q.， Kim B. H.， Zhou X.， Chem. Commun.， 2018， 54（81）， 11487—11490
52	Wu Z.， Tang L. J.， Zhang X. B.， Jiang J. H.， Tan W. H.， ACS Nano， 2011， 5（10）， 7696—7699
53	Xiong H. J.， Yan J. H.， Cai S. D.， He Q. Y.， Peng D. M.， Liu Z. B.， Liu Y. F.， Int. J. Biol. Macromol.， 2019， 132， 190—202
54	Dong Q.， Li Z. Q.， Peng T. H.， Chen Z.， Tan W. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（12）， 2648—2657（董倩，李兆倩，彭天欢，陈卓，谭蔚泓. 高等学校化学学报， 2020，41（12）， 2648—2657）
55	Shangguan D.， Li Y.， Tang Z. W.， Cao Z. H. C.， Chen H. W.， Mallikaratchy P.， Sefah K.， Yang C. Y. J.， Tan W. H.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2006， 103（32）， 11838—11843
56	Tan W. H.， Donovan M. J.， Jiang J. H.， Chem. Rev.， 2013， 113（4）， 2842—2862
57	Zhou J. H.， Rossi J.， Nat. Rev. Drug Discov.， 2017， 16（3）， 181—202
58	Ni X.， Castanares M.， Mukherjee A.， Lupold S.E.， Curr. Med. Chem.， 2011， 18（27）， 4206—4214
59	Moreno A.， Pitoc G. A.， Ganson N. J.， Layzer J. M.， Hershfield M. S.， Tarantal A. F.， Sullenger B. A.， Cell Chem. Biol.， 2019， 26（5）， 634—644
60	Querques G.， Bux A. V.， Martinelli D.， Iaculli C.， Noci N. D.， Acta Ophthalmol.， 2009， 87（6）， 623—630
61	Gold L.， Janjic N.， Jarvis T.， Schneider D.， Walker J. J.， Wilcox S. K. Zichi D.， Cold Spring Harb. Perspect. Biol.， 2012， 4（3）， a003582
62	Zhou W. H.， Ding J. S.， Liu J. W.， Theranostics， 2017， 7（4）， 1010—1025
63	McConnell E. M.， Cozma I.， Mou Q. B.， Brennan J. D.， Lu Y.， Li Y. F.， Chem. Soc. Rev.， 2021，50（16）， 8954—8994
64	Yan J. H.， Xiong H. J.， Cai S. D.， Wen N. C.， He Q. Y.， Liu Y. F.， Peng D. M.， Liu Z. B.， Talanta， 2019， 200， 124—144
65	Meng H. M.， Fu T.， Zhang X. B.， Tan W. H.， Natl. Sci. Rev.， 2015， 2（1）， 71—84
66	Nimjee S. M.， White R. R.， Becker R. C.， Sullenger B. A.， Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol.， 2017，57， 61—79
67	Liu J.， Wu X. H.， Lu J.， Huang G. X.， Dang L.， Zhang H. R.， Zhong C. X.， Zhang Z. K.， Li D. J.， Li F. F.， Nat. Aging， 2021， 1（4）， 368—384
68	Huang Y. F.， Shangguan D. H.， Liu H. P.， Phillips J. A.， Zhang X. L.， Chen Y.， Tan W. H.， ChemBioChem， 2009， 10（5）， 862—868
69	Chen K.， Liu B.， Yu B.， Zhong W.， Lu Y.， Zhang J. N.， Liao J.， Liu J.， Pu Y.， Qiu L. P.， Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol.， 2017， 9（3）， e1438
70	Liu M. T.， Ma W. J.， Li Q. S.， Zhao D.， Shao X. R.， Huang Q.， Hao L. Y.， Lin Y. F.， Cell Proliferat.， 2019， 52（1）， e12511
71	Leitner M.， Poturnayova A.， Lamprecht C.， Weich S.， Snejdarkova M.， Karpisova I.， Hianik T.， Ebner A.， Anal. Bioanal. Chem.， 2017， 409（11）， 2767—2776
72	Poturnayová A.， Buríková M.， Bízik J.， Hianik T.， ChemPhysChem， 2019， 20（4）， 545—554
73	Luo Y. L.， Shiao Y. S.， Huang Y. F.， ACS Nano， 2011， 5（10）， 7796—7804
74	Yang Q. X.， Deng Z. Y.， Wang D.， He J. X.， Zhang D. L.， Tan Y.， Peng T. H.， Wang X. Q.， Tan W. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（5）， 2532—2540
75	Li Y.， Wang X. L.， Gao L.， Hu P.， Jiang L. C.， Ren T. Y.， Fu R.， Yang D. W.， Jiang X. H.， J. Mater. Sci.， 2018， 53（20）， 14138—14148
76	Guo Y. Y.， Zhang J.， Ding F.， Pan G. F.， Li J.， Feng J.， Zhu X. Y.， Zhang C.， Adv. Mater.， 2019， 31（16）， 1807533
77	Zhang J.， Guo Y. Y.， Ding F.， Pan G. F.， Zhu X. Y.， Zhang C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（39）， 13794—13798
78	Zhou F.， Wang P.， Peng Y. B.， Zhang P. G.， Huang Q.， Sun W. D.， He N. Y.， Fu T.， Zhao Z. L.， Fang X. H.， Tan W. H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（34）， 11661—11665
79	Deng Z. Y.， Yang Q. X.， Peng Y. B.， He J. X.， Xu S. J.， Wang D.， Peng T. H.， Wang R. W.， Wang X. Q.， Tan W. H.， Bioconjugate Chem.， 2020， 31（1）， 37—42
80	Ríos⁃Luci C.， García⁃Alonso S.， Díaz⁃Rodríguez E.， Nadal⁃Serrano M.， Arribas J.， Ocaña A.， Pandiella A.， Cancer Res.，2017， 77（17）， 4639—4651
81	Tan Y.， Peng Y. B.， Ai L. L.， Li Y. Y.， Qu Y. X.， Wang D.， Su Y. Y.， Deng T. G.， Fu T.， Zhao Z. L.， Bioconjugate Chem.， 2020， 31（7）， 1766—1774
82	He J. X.， Peng T. H.， Peng Y. B.， Ai L. L.， Deng Z. Y.， Wang X. Q.， Tan W. H.， J. Am. Chem.Soc.， 2020， 142（6）， 2699—2703
83	Li F. F.， Lu J.， Liu J.， Liang C.， Wang M. L.， Wang L. Y.， Li D. F.， Yao H. Z.， Zhang Q. L.， Wen J.， Nat. Commun.， 2017， 8， 1390
84	Zhu G. Z.， Cansiz S.， You M. X.， Qiu L. P.， Han D.， Zhang L. Q.， Mei L.， Fu T.， Chen Z.， Tan W. H.， NPG Asia Mater.， 2015， 7， e169

[1]	WANG Xueli, SONG Xiangwei, XIE Yanning, DU Niyang, WANG Zhenxin. Preparation， Characterization of Partially Reduced Graphene Oxide and Its Killing Effect on Human Cervical Cancer Cells [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210595.
[2]	ZHAO Ying, QIAO Ling, ZHAO Guofeng, CHEN Li. Synthesis and Biological Activity of Lycorine Derivatives Containing Malate Ester [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2789.
[3]	DUAN Jun, ZHOU Pingping, ZHANG Liqian, MA Lin, YU Wen, ZHU Meiqi, ZHUANG Minyan, YANG Fenglei, CAO Changsheng, ZHANG Peng, SHI Yanhui. Syntheses of Imidazole-coordinated Ru（II） Half-sandwich Macrocyclic Complexes and Their Anti-cancer Activity [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(12): 3589.
[4]	KE Mengting, YUAN Jiangpei, ZHANG Heng, FANG Yu. Coordination Porous Polymers for Targeting Subcellular Organelles： Bio-imaging， Diagnosis and Therapy [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(11): 3295.
[5]	CHEN Weiju, CHEN Shiya, XUE Caoye, LIU Bo, ZHENG Jing. Fluorescent Probe for Hypoxia-triggered Imaging and Cancer Therapy [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(11): 3433.
[6]	XUE Xuling,CHEN Jun,ZHANG Ziyou,WANG Mengmeng,Lü Mengdi,HAO Yuanyuan,HU Jiongsheng,GE Chao,SU Zhi,QIAN Yong,LIU Hongke. Arene-metal Complexes Based on Naproxen for Antitumor and Anti-inflammatory Applications ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(2): 243.
[7]	DONG Qian, LI Zhaoqian, PENG Tianhuan, CHEN Zhuo, TAN Weihong. Progress on Aptamer for Cancer Theranostics [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(12): 2648.
[8]	ZHOU Xinyuan,HONG Jiaxin,HE Shaobing,ZHANG Lianru. Effects of Curcumin on Growth and Oxide Regulation of Esophageal Cancer KYSE410 Cells^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(7): 1405.
[9]	SONG Wenzhi,LI Hui,ZHANG Yan,HE Dan,LI Yingzi,HUANG Zhenzhen,LIU Xin,YIN Wanzhong. Preparation of Gold Nanoflower-double Layer Silica Core-shell Nanoparticles and Their Photothermal Properties and Metabolism in vivo^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(12): 2644.
[10]	TONG Ti*, ZHAO Yangyang, FU Yilin, SHAN Guiye. Special Surface Enhanced Raman Scattering on Lung Cancer Tissues Based on Au/Cu Nanorods Substrate^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(9): 1536.
[11]	LI Wanming, FANG Jin. Quantitative Multi-targeted Imaging of Metastatic Colorectal Cancer Cells Using Aptamer Probes in Combination^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(7): 1262.
[12]	ZHANG Jinliang, MA Xin, XU Mengxi, ZONG Cheng, REN Bin. Study on Apoptosis Process of CaSki via Fast Line-scanning Raman Imaging^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(7): 1257.
[13]	DING Jiyong, SHEN Hongchen, LIU Fufeng. Virtual Screening of Small Molecular Stabilizer for Y220C Mutant of p53^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(4): 706.
[14]	LUO Zewei, WANG Yimin, LIU Kunping, WEI Fujing, LI Yu, DUAN Yixiang. Preparation of a Functionalized Graphene and Its Role as Delivery Carrier for Anti-cancer Drug^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(10): 1900.
[15]	KONG Xiangquan, YAN Gang, KUANG Miao, RONG Jianhua. Preparation of Reduced Graphene Oxide-Copper Sulfide Composite as Efficient Photothermal Agents for Ablation of Cancer^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(1): 1.