利用癌细胞的光学靶向保护健康细胞组织

       日本冈山大学的研究团队近期提出了一种在癌症治疗过程中仅在目标细胞中触发细胞凋亡而防止健康细胞受到损害的光诱导方法。该方法没有使用化学物质而是一种光激活蛋白。

       虽然药物治疗仍然是癌症治疗的主要手段，但许多药物都有一个共同的问题：它们不仅作用于癌细胞，而且作用于癌细胞周围的健康细胞，因此会导致其他不良反应。

       光免疫疗法作为目前治疗癌症的光疗法之一，它是将肿瘤的光动力疗法与免疫疗法相结合以杀死癌细胞的一种分子靶向方法。

       “那些方法使用化学物质，凭借活性酶或热量使癌细胞物理性坏死，” Yuki Sudo教授讲到，“因此无论人们如何改进治疗方法，都无法消除不良反应。”

       Sudo的团队没有依靠物理性坏死来消除癌细胞，而是研发了一种主动杀死不需要的细胞以使有机体存活的光学方法来调节凋亡细胞死亡。研究人员通过使用视紫红质家族的吸光质子泵蛋白控制细胞内 pH 值来实现细胞凋亡。

       研究团队认为如果不使用化学物质而是蛋白质在目标癌细胞中悄悄诱导细胞凋亡，将有助于实现癌症治疗的新突破，而不会有副作用伴随产生。

作为冈山大学团队开发的癌症治疗光学方法的一部分，AR3 是一种来自视紫红质家族的光激活蛋白，它在癌细胞内合成，然后施加光，诱导细胞凋亡。

       他们已经证明一种来自视紫红质类别的吸光蛋白——archaerhodopsin-3 (AR3)能够将氢离子抽运出细胞。 随着氢离子浓度的降低，细胞内的pH 值将会上升，而细胞碱化可引发细胞凋亡。

       基于以上，研究小组开始测试细胞，探求是否可以使用 AR3 使它们变得足够碱性以诱导细胞凋亡。他们在人类癌症细胞中合成了AR3，然后用波长约为 550 nm的绿光照射细胞。

       AR3显着加速了细胞PH值的增加，从而使培养的人体癌细胞的碱化诱导收缩。研究人员观察到大多数细胞在三小时内就发生了凋亡。

       Sudo的学生、研究员 Shin Nakao 进行了一项平行实验，他将该实验细胞的 pH 值设置为7.4，处于生理中性。生化分析表明，AR3引起的细胞内碱化触发了线粒体凋亡信号通路，导致细胞死亡并伴有形态变化。

       PH值是环境中氢离子浓度的量度，它被用作酸度、中性和碱度的指标。“我认为我们的方法不可以在中性条件下进行测试，”Sudo提到。“细胞在碱性溶液中浸泡会死亡，我想搞清楚是否可以使用 AR3 加速这一过程。 因此，我只在 pH 9（碱性）条件下进行了实验。 但是Shin Nakao还使用了 pH 7（中性），也就是人体通常会出现的条件进行了实验。”

       在中性pH下，虽然需要观察结果需要的时间更长，但实验最终还是成功了。“如果我们的策略在中性 pH 值下有效，那么它可以用于开发新的治疗方法，”Sudo 说。

       “团队无法让pH9时的这些条件适用于患者，”Nakao 补充道。 “因此，我们在 pH 7 下尝试了我们的方法。没想到竟然奏效了，我非常庆幸此次尝试。”

       然后研究人员在秀丽隐杆线虫体内实验中测试了他们的方法。他们在秀丽隐杆线虫的感觉神经元上合成了仅针对神经元细胞的 AR3。 当秀丽隐杆线虫的身体暴露在绿光下时，只有合成 AR3 的神经元对化学物质的感觉反应减弱。 氢离子似乎已被 AR3 从这些神经元中泵出，导致细胞碱化并死亡。

       研究人员基于上面的实验结果得出结论，当 AR3 暴露在光线下时，它可以触发目标细胞的凋亡。

       研究团队将他们的细胞碱化方法与 COVID-19 信使 RNA (mRNA) 疫苗的工作方式进行了比较。 正如将 mRNA 注入细胞以合成必要的蛋白质一样，必须将 AR3 基因引入癌细胞中，以便细胞合成 AR3。 遗传标记只能用于在靶细胞中合成 AR3。

       Sudo 说，通过使用我们研发的光诱导细胞凋亡方法，可以杀死患病细胞而不会对周围的健康细胞造成不良反应，其中 AR3 仅在人类癌细胞中合成。

       该团队表示，他们计划在哺乳动物组织中进行实验。该方法对光触发细胞凋亡可作为一种光遗传学工具，从而有选择性地消除具有高时空分辨率的靶细胞。

       “有人可能会认为，我们是用光杀死癌细胞，所以和其他方法并无差别。 然而，我们的方法是以细胞凋亡而不是坏死为中心，因此具有本质的不同，从而可以作为一种全新的治疗方法，”Sudo 说。

       该研究发表在Journal of the American Chemical Society（www.doi.org/10.1021/jacs.1c12608）上。