A novel lonidamine derivative targeting mitochondria to eliminate cancer stem cells by blocking glutamine metabolism  

一種靶向線粒體的新型氯尼達(dá)明衍生物，通過(guò)阻斷谷氨酰胺代謝來(lái)消除癌癥干細(xì)胞

期刊：Pharmacological Research（DOI: 10.1016/j.phrs.2023.106740）  

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究設(shè)計(jì)了一種新型線粒體靶向化合物HYL001（洛尼達(dá)明衍生物），通過(guò)特異性阻斷谷氨酰胺（Gln）代謝，選擇性消除癌癥干細(xì)胞（CSCs）。HYL001對(duì)乳腺癌干細(xì)胞（BCSCs）和肝癌干細(xì)胞（HCSCs）的抑制活性分別比原型藥物洛尼達(dá)明（LND）強(qiáng)380倍和340倍。機(jī)制上，HYL001下調(diào)谷氨酰胺酶（GLS）表達(dá)，阻斷谷氨酰胺代謝，抑制三羧酸（TCA）循環(huán)，放大線粒體氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)CSCs凋亡。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)HYL001顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移，并與紫杉醇（PTX）協(xié)同增效。此外，HYL001有效抑制肝癌患者新鮮腫瘤組織中的CSCs。

 

研究目的

 

開(kāi)發(fā)高效低毒的CSCs靶向藥物，解決CSCs介導(dǎo)的腫瘤復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移和耐藥問(wèn)題；闡明HYL001通過(guò)靶向線粒體代謝清除CSCs的分子機(jī)制。

 

研究思路

 

分子設(shè)計(jì)：  

 

基于線粒體膜負(fù)電性，將線粒體靶向單元（TPP?）與LND通過(guò)芳香環(huán)連接（非長(zhǎng)鏈烷烴），合成HYL001（圖1a）。  

體外驗(yàn)證：  

 

評(píng)估HYL001對(duì)CSCs（乳腺球/腫瘤再生細(xì)胞TRCs）的選擇性殺傷（圖1b-f）。  

 

分析線粒體結(jié)構(gòu)/功能（膜電位、活性氧）、代謝（TCA循環(huán)、OXPHOS）及凋亡通路（圖2-4）。  

機(jī)制探索：  

 

代謝組學(xué)揭示Gln代謝阻斷（圖3a-b）；驗(yàn)證GLS表達(dá)下調(diào)（圖3d-e）及CSCs的Gln依賴性（圖3f-m）。  

體內(nèi)評(píng)價(jià)：  

 

皮下/原位/轉(zhuǎn)移瘤模型驗(yàn)證抗腫瘤效果（圖5-6）；肝癌患者新鮮組織實(shí)驗(yàn)（圖7）。

 

聯(lián)合治療：  

 

與PTX聯(lián)用增強(qiáng)療效（圖6b-d）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其意義

 

（1）CSCs選擇性殺傷（圖1）

數(shù)據(jù)：HYL001對(duì)BCSCs的IC??（0.44 μM）比LND低380倍（圖1b）；顯著抑制TRCs集落形成（圖1c-e）。  

 

意義：HYL001高效靶向CSCs，克服LND臨床療效不足的缺陷。  

 

（2）線粒體損傷與凋亡（圖2）

數(shù)據(jù)：  

 

電鏡顯示HYL001破壞線粒體嵴結(jié)構(gòu)（圖2a）；JC-1檢測(cè)膜電位崩潰（圖2b-c）。  

 

流式細(xì)胞術(shù)證實(shí)劑量依賴性凋亡（圖2d, g）。  

 

意義：HYL001通過(guò)線粒體途徑誘導(dǎo)CSCs凋亡。  

 

（3）Gln代謝阻斷（圖3-4）

數(shù)據(jù)：  

 

代謝組學(xué)顯示Gln積累、Glu/Gln比值下降（圖3a-b）；Western blot驗(yàn)證GLS蛋白下調(diào)（圖3d）。  

 

TCA循環(huán)中間產(chǎn)物（α-KG、琥珀酸等）顯著減少（圖4b）；ATP水平下降（圖4e）。  

 

意義：HYL001通過(guò)抑制GLS阻斷Gln代謝，破壞CSCs能量供應(yīng)。  

 

（4）氧化應(yīng)激放大（圖4）

數(shù)據(jù)：  

 

HYL001降低谷胱甘肽（GSH）（圖4f），增加線粒體活性氧（mtROS）（圖4g-i）。  

 

抗氧化劑（GSH/TEMPO）可逆轉(zhuǎn)HYL001的殺傷作用（圖4j-m）。  

 

意義：代謝紊亂引發(fā)氧化應(yīng)激，是CSCs死亡的關(guān)鍵機(jī)制。  

 

（5）體內(nèi)抗腫瘤效果（圖5-6）

數(shù)據(jù)：  

 

皮下瘤模型：HYL001抑制腫瘤生長(zhǎng)（TIR=44%），降低CD133? CSCs比例82.1%（圖5a-f）。  

 

轉(zhuǎn)移模型：減少肺轉(zhuǎn)移結(jié)節(jié)（300→60），延長(zhǎng)生存期31.2%（圖5h-l）。  

 

聯(lián)合PTX：腫瘤抑制率提升至75%（圖6b-d）。  

 

意義：HYL001單藥或聯(lián)用均能有效清除CSCs，抑制腫瘤進(jìn)展。  

 

（6）臨床樣本驗(yàn)證（圖7）

數(shù)據(jù)：HYL001處理肝癌患者新鮮組織后，CD133? CSCs減少，GLS表達(dá)下降（圖7h-i, m）。  

 

 

意義：HYL001在臨床樣本中保持抗CSCs活性，具轉(zhuǎn)化潛力。  

 

丹麥Unisense微電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

測(cè)量目的與技術(shù)原理

目的：直接量化BCSCs的線粒體氧消耗速率（OCR），評(píng)估HYL001對(duì)氧化磷酸化（OXPHOS）的抑制。  

 

技術(shù)原理：Unisense微電極采用Clark氧電極，通過(guò)電化學(xué)傳感實(shí)時(shí)檢測(cè)溶解氧濃度變化，靈敏度高（可測(cè)nmol/L級(jí)氧消耗）。  

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖4c-d）

 

數(shù)據(jù)：  

 

HYL001處理4小時(shí)后，BCSCs的OCR呈劑量依賴性下降（5 μM HYL001使OCR降低60%）。  

 

LND（10 μM）對(duì)OCR無(wú)顯著影響。  

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)：OCR下降直接證實(shí)HYL001阻斷Gln代謝后，削弱了TCA循環(huán)的電子供體（NADH/FADH?）生成，導(dǎo)致OXPHOS受阻。  

 

研究意義

直接證據(jù)：提供HYL001抑制線粒體呼吸鏈功能的實(shí)時(shí)代謝數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)間接指標(biāo)（如ATP檢測(cè)）的局限性。  

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：  

 

高時(shí)空分辨率：可檢測(cè)少量細(xì)胞（10?細(xì)胞）的瞬時(shí)氧耗變化，適用于原代CSCs等稀缺樣本。  

 

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：揭示HYL001的快速起效特性（4小時(shí)內(nèi)顯著抑制OCR）。  

生物學(xué)價(jià)值：  

 

證實(shí)CSCs依賴OXPHOS供能，靶向線粒體代謝是清除CSCs的有效策略。  

 

為開(kāi)發(fā)類似線粒體靶向藥物提供關(guān)鍵代謝表型評(píng)估方法。  

 

結(jié)論

 

分子創(chuàng)新：HYL001通過(guò)芳香環(huán)連接TPP?與LND，實(shí)現(xiàn)高效線粒體靶向，毒性低于長(zhǎng)鏈烷烴衍生物。  

 

機(jī)制突破：  

 

下調(diào)GLS表達(dá)→阻斷Gln代謝→抑制TCA循環(huán)/OXPHOS→放大mtROS→選擇性誘導(dǎo)CSCs凋亡。  

 

CSCs因高Gln攝入和GLS表達(dá)而對(duì)該機(jī)制敏感（圖3f-g）。  

 

治療價(jià)值：  

 

單藥抑制腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移并清除CSCs；與PTX聯(lián)用顯著增效。  

 

在肝癌患者組織中驗(yàn)證抗CSCs活性，具臨床轉(zhuǎn)化潛力。  

 

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總結(jié)：本研究通過(guò)理性設(shè)計(jì)線粒體靶向藥物HYL001，揭示了Gln代謝在CSCs維持中的核心作用，為克服腫瘤耐藥提供了新策略。丹麥Unisense微電極技術(shù)為線粒體代謝研究提供了高靈敏度工具，直接證實(shí)了HYL001對(duì)OXPHOS的抑制，深化了對(duì)代謝靶向治療機(jī)制的理解。