王鑫英

1844年,一个名叫Michele Peyrone的意大利化学家在做一项关于氯盐的化学实验时,惊奇地发现反应中出现了两种物质:一种呈绿色,另一种呈黄色。

这激起了化学家的强烈好奇心。他知道这种绿色物质是不溶于盐酸的,于是,借助盐酸他成功分离得到了黄色的氯化物。

由于Peyrone当时也不知道这种物质的分子结构是什么,又因为绿色的物质被叫做马格努斯绿盐(Magnus’ green salt)。所以,他也很随意地用自己的姓氏命名了这种黄色物质——Peyrone的氯化物(Peyrone’s chloride)[1]。

1844年,Peyrone首先在德文杂志上发表了自己的新发现。同一年,他的新发现还被发表在了法文杂志上。

Peyrone发表论文之后就投身到农学研究中了,徒留他的这个氯化物静静地等待了数十年。

直到1893年,瑞士人Alfred Werner才首次阐明了它的结构。原来,Peyrone的氯化物其实就是顺铂(cisplatin)[1]!

是的,就是那个大名鼎鼎的抗癌药!

不过,此时的顺铂依然默默无闻。直到几十年后,爱因斯坦的徒孙Barnett Rosenberg的出现,顺铂才迎来了命运的大转折。

全凭一场意外,顺铂走进了癌症治疗的世界,成为了“抗癌药中的青霉素”。

意外的发现

Barnett Rosenberg于1926年出生于纽约市,本科就读于布鲁克林学院,在纽约大学获得了物理学博士学位。

因为Rosenberg的博导是爱因斯坦的学生,所以他就顺理成章地成为了爱因斯坦的徒孙。关于这一点,Rosenberg本人也非常骄傲,他还称爱因斯坦为终极思想家(ultimate thinker)[2]。

1961年,Rosenberg进入密歇根州立大学工作,展开了电场对细胞分裂影响的研究。在这个过程中,Rosenberg的同事Loretta Van Camp,采用专门设计的连续培养设备培养大肠杆菌,同时用铂电极通电产生电场。

Loretta Van Camp
Loretta Van Camp 和 Barnett Rosenberg

这一通电可不得了,大肠杆菌居然停止分裂了!但是,它还能继续生长。结果就是电场下的大肠杆菌变成了长丝状,“体长”大约是正常大肠杆菌的两三百倍!

这个现象让Rosenberg百思不得其解,不过他没有轻易放过这个现象。经过几年的努力,他和团队终于将研究结果发表在了1965年的《自然》[3]杂志上。

原来,抑制大肠杆菌分裂的,不是电场本身,而是电解产生的铂复合物 (NH4)2PtCl6不过,(NH4)2PtCl6并不影响大肠杆菌的生长,所以大肠杆菌才能不断地长[zhǎng]长[cháng] 长[zhǎng]长[cháng],变成了长丝状。

大肠杆菌
正常的大肠杆菌(左)和电场刺激下的大肠杆菌(右)

在这篇论文的最后,Rosenberg还提出了如下问题:(NH4)2PtCl6抑制细菌分裂背后的机制是什么?它在细菌上的作用位点是什么?

带着这些问题,Rosenberg带领团队开展了新的研究。这时,他们又观察到了一个奇怪的现象:当把(NH4)2PtCl6溶液放置几天后,溶液抑制大肠杆菌分裂的能力不降反升了,只需要更低浓度的溶液就能让大肠杆菌变得更长!

这又是为什么呢?

Rosenberg后来发现,只有当溶液暴露于光线时,才会发生这种现象。而且,光照后的溶液呈淡黄色,而原来的(NH4)2PtCl6溶液是无色的。这说明,(NH4)2PtCl6发生了光化学反应,产生了新物质,而这种新物质抑制大肠杆菌分裂的能力更强[4]。

最终,Rosenberg确定(NH4)2PtCl6经光化学反应后产生了顺式-[Pt(NH3)2Cl4 ],它抑制大肠杆菌分裂的能力要比(NH4)2PtCl6更强[4]。

而顺式-[Pt(NH3)2Cl4 ]的前体物质顺式- [Pt(NH3)2Cl2](嗯,这个就是顺铂),也具有抑制大肠杆菌分裂的能力[4]。

Barnett Rosenberg
这个改变了癌症治疗历史的科学家,于2009年因病去世了

研究走到这一步,Rosenberg对铂复合物的用途有了新的想法:既然它们能抑制细菌分裂,是不是也能抑制其他细胞分裂呢?如果能,是不是就可以用来治疗癌症了呢?毕竟癌细胞的特点就是无限地分裂么。

于是,Rosenberg找到了美国国家癌症研究中心(NCI)负责化疗药物筛选的Gordon Zubrod,希望可以跟NCI合作,探究铂复合物是否有抗癌作用[5]。

很快,Rosenberg就得到了NCI的资助,铂复合物被顺利地用到了抗癌研究中。

Rosenberg采用白血病小鼠模型L1210[6]和肉瘤小鼠模型S-180[7],证明了顺式-[Pt(NH3)2Cl4 ]和顺式- [Pt(NH3)2Cl2]均具有抗癌作用但顺式- [Pt(NH3)2Cl2]的抗癌效果更好

这样的研究结果,让顺式- [Pt(NH3)2Cl2](顺铂)成功地进入NCI的潜在抗癌药名单。

神级的抗癌药

1972年,在顺铂被发现120多年后,终于走上了临床。

最先尝试顺铂治疗的是11名难治性睾丸癌患者,他们中有9人对顺铂产生了反应,其中有些人还实现了完全缓解[8]。这么好的临床结果实在是太令人意想不到了!

然而,顺铂的毒副作用也大得吓人:有些患者出现了严重的肾脏损伤、听力丧失、神经病变,恶心、呕吐现象非常普遍,常常持续好多周[8]。

面对顺铂巨大的毒副作用,有些人退却了。这时,一个叫Lawrence Einhorn的肿瘤内科医生想到了一个新办法。

Einhorn将顺铂和另外两种抗癌药物(长春碱和博来霉素)联合使用,用于治疗晚期睾丸癌患者。接受联合治疗的47名睾丸癌患者中,有33名患者实现了完全缓解,5年生存率达到了64%[9]。

Lawrence Einhorn
Lawrence Einhorn

正是凭借这个喜人的Ⅱ期临床试验结果,美国FDA于1978年批准了顺铂上市,用于睾丸癌的治疗。同一年,顺铂还被批准用于晚期卵巢癌和膀胱癌的治疗[10]。

再后来,肺癌、乳腺癌、宫颈癌、头颈癌等癌症的治疗也少不了顺铂的身影。如今,顺铂已经成为了多种实体瘤联合疗法的基石。

正如NCI癌症治疗部门的前主任Bruce Chabner所说:“顺铂治愈的癌症患者以及从顺铂疗法中获益的癌症患者有数以百万,很难想象没有顺铂,癌症治疗将会变成什么样。”[10]

永不停息的脚步

在顺铂上市之后,寻找一种毒性更低同时还保留抗癌活性的顺铂类似物就成为了研究热点。

没过多久,英国企业Johnson Matthey与英国癌症研究所合作开发出了毒性较小的第二代铂类抗癌药物——卡铂( carboplatin)[5]。

由于卡铂的离去配体环丁烷二羧基要比顺铂的氯更稳定,所以毒性更低、更安全。与顺铂相比,卡铂基本上没有肾毒性,它的神经毒性和催吐性也更低[5]。

在一项卵巢癌临床试验中,卡铂表现出了良好的疗效。因此,美国FDA于1989年批准了卡铂上市。

再后来,人们发现有些肿瘤对顺铂产生了抗性,这就催生了第三代铂类抗癌药物——奥沙利铂(oxaliplatin)。比如对顺铂耐药的结肠癌,用奥沙利铂治疗的效果就比较好[5]。

上面提到的顺铂、卡铂、奥沙利铂都需要静脉注射,所以,口服形式的赛特铂(satraplatin)应运而生,目前还处于临床试验阶段[11]。

此外,脂质体或共聚物形式的铂类药物也在研发过程中,这对拓展铂类药物的应用范围和降低不良反应都有着重要意义[12]。

抗癌与耐药

在对铂类药物抗癌及耐药机制研究上,科学家们也没有停下脚步。

简单来说,铂类药物的抗癌机制主要分为4步,即细胞摄取、水合解离、靶向DNA迁移、铂-DNA络合物的形成[13]。

首先,铂类药物需要进入细胞内部。这一步主要通过铜转运蛋白CTR1和CTR2来完成[14]。此外,研究发现有机阳离子转运蛋白OCT1和OCT2也有助于奥沙利铂进入细胞[15]。

3
顺铂大概就是这么着进入细胞的,假装能看懂的样子吧

接下来,铂类药物需要水化。以顺铂为例,细胞内氯离子的浓度(约3-20mM)低于细胞外液的氯离子浓度(约100mM),这给水分子替代氯离子提供了有利条件[13]。

然后就是奇妙的时刻了。水化的铂络合物会与DNA嘌呤碱基反应,主要的位点在鸟嘌呤核苷和腺嘌呤核苷的N7位,这样的交联反应会让DNA双螺旋结构发生扭曲[13]。

紧接着,铂-DNA的这种异常交联就会被细胞所识别。尤其是在转录时,RNA聚合酶遇到铂-DNA的交联就会停下脚步,启动DNA损伤修复系统,如果修复不了这种DNA损伤,细胞就会发生凋亡[13]。

顺铂DNA交联
顺铂与DNA的交联示意图

当然,这只是铂类药物抗癌机制的简单描述。实际上,关于铂类药物抗癌机制的更多细节有待完善。

过去几十年,科学家们也进行了大量的铂类药物耐药性问题研究。

耐药的机制有很多,每一种机制都因肿瘤的类型或癌细胞系的不同而不同,主要可以分为几类:减少细胞对药物的摄取、细胞内金属硫蛋白的中和作用、对DNA损伤的耐受性增加等[5]。

研究表明,卡铂与顺铂之间存在着绝对的交叉耐药性,而奥沙利铂与顺铂的交叉耐药则变化较大[16]。

比如,错配修复(MMR)可以校正铂-DNA交联造成的错配碱基和未配对的碱基。但MMR可以识别顺铂造成的DNA损伤,却不能识别奥沙利铂造成的DNA损伤。MMR缺陷是卵巢癌对顺铂耐药的原因,也是顺铂致突变性的原因[17]。

再比如,高迁移率族蛋白B1(HMGB1)可以有效抑制DNA修复因子修复顺铂造成的DNA损伤,而对奥沙利铂造成的DNA损伤,HMGB1的效果却不佳。这也就解释了为什么HMGB1高表达的结直肠癌对顺铂产生耐药,却对奥沙利铂敏感[18]。

2018年7月发表在《癌细胞》杂志上的一篇论文显示,一种名叫MAST1的激酶是癌细胞对顺铂产生耐药的主要驱动因素,而目前正处于临床阶段的新药lestaurtinib(一种MAST1抑制剂)可以恢复癌细胞对顺铂的敏感性[19]。

这或许能给解决铂类药物的耐药问题带来新希望!

 

参考资料:

[1]Kauffman G B, Pentimalli R, Hall M D. Michele Peyrone (1813‐1883), Discoverer of Cisplatin[J]. Platinum Metals Review, 2010, 54(4): 250-256.

[2] Hoeschele J D. Biography of professor barnett rosenberg: A tribute to his life and his achievements[J]. Anticancer research, 2014, 34(1): 417-421.

[3] Rosenberg B, Van Camp L, Krigas T. Inhibition of cell division in Escherichia coli by electrolysis products from a platinum electrode[J]. Nature, 1965, 205(4972): 698-699.

[4] Rosenberg B, Van Camp L, Grimley E B, et al. The inhibition of growth or cell division in Escherichia coli by different ionic species of platinum (IV) complexes[J]. Journal of Biological Chemistry, 1967, 242(6): 1347-1352.

[5] Muggia F M, Bonetti A, Hoeschele J D, et al. Platinum antitumor complexes: 50 years since barnett rosenberg’s discovery[J]. J. Clin. Oncol, 2015, 33: 4219-4226.

[6] Rosenberg B, Vancamp L, TROSKO J E, et al. Platinum compounds: a new class of potent antitumour agents[J]. Nature, 1969, 222(5191): 385.

[7] Rosenberg B, VanCamp L. The successful regression of large solid sarcoma 180 tumors by platinum compounds[J]. Cancer Research, 1970, 30(6): 1799-1802.

[8] Hanna N, Einhorn L H. Testicular cancer: a reflection on 50 years of discovery[J]. Journal of Clinical Oncology, 2014, 32(28): 3085-3092.

[9] Einhorn L H, Donohue J. Cis-diamminedichloroplatinum, vinblastine, and bleomycin combination chemotherapy in disseminated testicular cancer[J]. Annals of internal medicine, 1977, 87(3): 293-298.

[10]https://www.cancer.gov/research/progress/discovery/cisplatin

[11] Bhargava A, Vaishampayan U N. Satraplatin: leading the new generation of oral platinum agents[J]. Expert opinion on investigational drugs, 2009, 18(11): 1787-1797.

[12] Kelland L. The resurgence of platinum-based cancer chemotherapy[J]. Nature Reviews Cancer, 2007, 7(8): 573.

[13] Johnstone T C, Park G Y, Lippard S J. Understanding and improving platinum anticancer drugs–phenanthriplatin[J]. Anticancer research, 2014, 34(1): 471-476.

[14] Howell S B, Safaei R, Larson C A, et al. Copper transporters and the cellular pharmacology of the platinum-containing cancer drugs[J]. Molecular pharmacology, 2010, 77(6): 887-894.

[15] Zhang S, Lovejoy K S, Shima J E, et al. Organic cation transporters are determinants of oxaliplatin cytotoxicity[J]. Cancer research, 2006, 66(17): 8847-8857.

[16] Stordal B, Pavlakis N, Davey R. Oxaliplatin for the treatment of cisplatin-resistant cancer: a systematic review[J]. Cancer treatment reviews, 2007, 33(4): 347-357.

[17] Gomez-Ruiz S, Maksimović-Ivanić D, Mijatović S, et al. On the discovery, biological effects, and use of cisplatin and metallocenes in anticancer chemotherapy[J]. Bioinorganic chemistry and applications, 2012, 2012.

[18] Rixe O, Ortuzar W, Alvarez M, et al. Oxaliplatin, tetraplatin, cisplatin, and carboplatin: spectrum of activity in drug-resistant cell lines and in the cell lines of the National Cancer Institute’s Anticancer Drug Screen panel[J]. Biochemical pharmacology, 1996, 52(12): 1855-1865.

[19] Jin L, Chun J, Pan C, et al. MAST1 drives cisplatin resistance in human cancers by rewiring cRaf-independent MEK activation[J]. Cancer cell, 2018, 34(2): 315-330. e7.

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