自组装抗肿瘤多肽的设计合成、表征和作用机制研究

摘要

癌症是人类健康的一大杀手，具有难以治愈、致死率高等特点。对于癌症的治疗，目前应用最广泛的小分子化疗药物往往具有溶解性不佳、细胞选择性差、毒副作用明显等缺点，且容易使细胞产生多重耐药性，进一步提高了肿瘤治疗的难度。因此，人们亟待研发出一类能够有效解决或避免上述问题的新型抗肿瘤药物。
　　抗肿瘤多肽是一类可以抑制肿瘤细胞生长或者杀死肿瘤细胞的多肽，主要来源于抗菌肽。大多数抗肿瘤多肽都属于裂解肽，其作用位点在细胞膜上，它们不需进入细胞内部即可裂解细胞膜杀死细胞，从而能够有效克服细胞的多重耐药性;同时，它的化学本质是多肽，具有生物活性高、生物相容性好、合成方法成熟等优点，因此，抗肿瘤多肽为肿瘤治疗提供了新的方案。然而，抗肿瘤多肽也有许多缺点，如药效有待提高、作用机制不明确、稳定性差等，需要我们对其进行针对性地优化，以提升其应用潜力。
　　分子自组装行为广泛存在于自然环境和生命体系中，具有自组装能力的分子种类繁多，多肽是其中一个重要的组成部分。多肽的自组装过程受多种非共价作用力的影响，且对环境条件的改变具有响应性，因此它们被视为一类“智能型”生物材料，在细胞培养、药物载体、组织工程等方向均显示出巨大的应用潜力。自组装行为对抗肿瘤多肽性质和功能的改变也具有重要作用，它可以通过改变多肽的结构和电荷分布而对抗肿瘤多肽的环境响应性、细胞选择性、稳定性等方面产生影响，因而被视为抗肿瘤多肽的有效优化手段。
　　为了解决抗肿瘤多肽的应用问题，我们尝试从两方面对其进行改进。一方面，我们对抗肿瘤多肽的细胞活性进行优化，并深入了解其作用机制，在提高其抗肿瘤活性的同时，对其结构与功能之间的关系进行分析总结，为高效抗肿瘤多肽的设计和发展提供有益的指导;另一方面，我们通过引入多肽自组装，针对性地解决抗肿瘤多肽的稳定性问题，同时进一步了解多肽的结构、活性和稳定性三者之间的关系，以期为无载体抗肿瘤多肽药物的设计和优化提供有效方案。最后，我们利用多肽的自组装性质尝试构建一种环境响应性多肽水凝胶材料，拓展自组装多肽的应用方向。
　　在本论文中，我们采取生物化学、细胞生物学等方面的实验手段，对抗肿瘤多肽序列进行优化并深入了解了其细胞作用机制，并将自组装的思路引入了抗肿瘤多肽的优化设计和环境响应性生物材料的构建当中，主要取得了以下进展:
　　1.新型抗肿瘤多肽的序列设计、优化及作用机制研究。以多肽Maurioporin为模板设计并合成了一条抗肿瘤多肽ZXR-1(FKIGGFIKKLWRSKLA)，通过将赖氨酸有目的地突变为丙氨酸，得到了亲疏水面界限更加分明的多肽ZXR-2（FKIGGFIKKLWRSKLA），MTT结果显示突变后多肽整体抗肿瘤活性明显增强;通过激光共聚焦观察、Western Blot、流式细胞仪分析等手段对多肽的细胞作用机制进行表征，发现两条序列上高度相似的多肽在突变前后，细胞作用机制发生明显变化: ZXR-1能够进入细胞，破坏线粒体电位，最终诱导细胞凋亡，而ZXR-2则直接作用于细胞膜，裂解细胞。我们分析，二者的作用机制差异一方面来源于两亲性和电荷分布的区别，另一方面，多肽序列中“异亮氨酸-亮氨酸”对（I3-L10，I7-L14）也对多肽的抗肿瘤活性和作用机制产生了一定影响。这一氨基酸对的发现以及它对抗肿瘤多肽在活性和作用机制上的影响在前人的研究中鲜有报道，对ZXR-1和ZXR-2的结构功能关系的分析能够为后续新型抗肿瘤多肽和多肽相关药物的设计及优化提供有益指导。
　　2.抗肿瘤多肽的自组装改造与结构功能研究。将多肽自组装机制应用于抗肿瘤多肽的改造上，通过在无自组装能力的抗肿瘤裂解肽PTP-7(FLGALFKALSKLL)的氮端和碳端分别加入谷氨酸和天冬酰胺，成功构建了两条序列高度相似的自组装抗肿瘤多肽EN(ENFLGALFKALSKLL)和NE(FLGALFKALSKLLNE)。这一方法在改变多肽两亲模式和二级结构的同时，有效调控了多肽的自组装过程。电镜结果显示，不同的两亲结构模式使二者形成了不同纳米结构，EN倾向于形成纳米纤维而NE倾向于形成胶束。尽管二者都显示出了长效的抗肿瘤活性和稳定性，但微观形态对其抗肿瘤活性具有重要影响，它能够直接控制单分子聚集以及单分子从聚集体上解离的难易程度，进而能够调控抗肿瘤多肽的生物活性。不同两亲模式的构建可以有效控制抗肿瘤多肽药物的细胞活性和稳定性，这一机制的引入可被应用于多种多肽药物的设计中，提高无载体多肽药物的稳定性和活性，为后续抗肿瘤多肽药物的设计和临床应用提供参考。
　　3.利用多肽自组装性质构建环境响应性水凝胶材料，拓展多肽自组装的应用方向。以RTX序列(GGXGXDXUX)为模板设计合成了一条具有pH和钙离子双重响应性的多肽两亲分子，通过降低pH或者加入钙离子可以引发分子自组装，形成支撑性的多肽水凝胶。从二级结构、微观形貌和宏观成胶行为等方面对其响应性进行表征，发现多肽的宏观成胶行为与β-折叠结构的形成和纳米纤维网络的出现有着直接联系。同时，我们通过序列突变，确定了多肽中的天冬氨酸对分子的响应性具有关键作用。我们对多肽二级结构、微观形态、宏观行为之间关系的理解为后续利用自组装构建多重响应性多肽水凝胶提供了有益指导，拓展了多肽自组装的应用方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 癌症化疗与细胞多重耐药性

1．2 抗肿瘤多肽

1．2．1 抗肿瘤多肽简介

1．2．2 抗肿瘤多肽的结构特点

1．2．3 抗肿瘤多肽的作用方式

1．3 抗肿瘤多肽与细胞作用的表征手段

1．3．1 抗肿瘤多肽的活性及膜裂解能力表征

1．3．2 细胞凋亡机制的常用检测及表征方法

1．4 抗肿瘤多肽药物的优缺点

1．4．1 抗肿瘤多肽药物的优点

1．4．2 抗肿瘤多肽药物的缺点

1．5 分子自组装

1．6 多肽自组装

1．6．1 多肽自组装的驱动力

1．6．2 环境影响多肽自组装

1．7 多肽自组装性质表征手段

1．7．1 圆二色谱

1．7．2 透射电子显微镜

1．7．3 原子力显徽镜

1．7．4 刚果红染色实验

1．7．5 1，8-ANS结合实验

1．7．6 临界胶束浓度的测定

1．7．7 成胶能力实验

1．8 自组装抗肿瘤多肽的构建

1．8．1 自组装对多肽活性和作用方式的影响

1．8．2 自组装赋予多肽新的功能

1．8．3 抗肿瘤多肽的常见自组装改造方法

1．9 本论文研究目的与意义

1．10 本论文主要研究内容

第二章 抗肿瘤多肽的设计、优化及作用机制研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器

2．2．2 实验试剂

2．2．3 多肽的合成

2．2．4 多肽的质谱鉴定与液相纯化

2．2．5 细胞培养

2．2．6 细胞活性测试

2．2．7 乳酸脱氢酶释放实验

2．2．8 细胞死活染色观察

2．2．9 流式细胞仪检测细胞凋亡

2．2．10 Caspase-3活性测试

2．2．11 Western Blot检测Caspase-3表达

2．2．12 线粒体跨膜电位测定

2．2．13 多肽穿膜现象的观察

2．2．14 多肽导致的膜表面压力变化测试

2．2．15 圆二色谱

2．2．16 细胞内吞机制测定

2．2．17 多肽的血清稳定性测试

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 多肽序列的设计

2．3．2 多肽的细胞活性及选择性分析

2．3．3 多肽的作用模式分析

2．3．4 多肽ZXR-1通过作用于线粒体导致细胞渭亡

2．3．5 多肽与脂分子膜的相互作用分析

2．3．6 多肽的血清稳定性

2．4 本章小结

第三章自组装抗肿瘤多肽药物的设计、表征和药物应用研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验仪器及试剂

3．2．2 多肽的合成和纯化

3．2．3 二级结构表征

3．2．4 1，8-ANS表征多肽自组装

3．2．5 多肽临界胶束浓度(CMC)的测定

3．2．6 透射电镜观察

3．2．7 原子力显微镜(AFM)观察

3．2．8 细胞培养及活性测试

3．2．9 多肽破膜情况观察及膜表面压力变化观察

3．2．10 多肽的血清稳定性观察

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 多肽设计

3．3．2 多肽自组装性质观察

3．3．3 多肽的生物活性和稳定性

3．4 本章小结

第四章 自组装多肽水凝胶的制备、响应性表征及机制研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验仪器及试剂

4．2．2 多肽的合成及纯化

4．2．3 多肽成胶能力测试

4．2．4 多肽二级结构表征

4．2．5 多肽微观形态表征

4．2．6 多肽水凝胶流变学表征

4．3 结果分析与讨论

4．3．1 两亲多肽分子的序列设计

4．3．2 多肽的分析与鉴定

4．3．3 多肚成胶的pH响应性

4．3．4 多肽成腔的离子响应性

4．3．5 多肽的二级结构表征

4．3．6 多肽的微观形貌观察

4．3．7 胶体的流变学性质表征

4．3． 8 多肽的成胶机理探讨

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表论文

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