科學報導 藥物開發與設計

具有促進糖尿病患者傷口癒合潛力之金屬錯合物

全世界罹患糖尿病的人數逐年增加,而糖尿病患者因傷口內縮(wound contraction)、血流供應減少導致傷口癒合困難,容易感染併發潰瘍甚至導致截肢,對患者身心產生負面影響。目前的治療方式包含定期清創、血管重建、感染治療或是使用生物工程替代性組織產品,然而這些方法通常只對輕度、中度傷口有效,且無法讓皮膚的功能完整地恢復或避免截肢。傷口癒合是一個系統性且動態的過程,其中涉及了上皮化(epithelialization)、血管新生(angiogenesis)、肉芽組織(granulation tissue)的形成和傷口內縮,而這些機制都與 hypoxia-inducible factor 1-α(HIF-1α)有關聯。正常組織中,在氧氣充足下 HIF-1α 會被 PHD(propyl hydroxylase domain)蛋白質羥化(hydroxylation)進而與腫瘤抑制蛋白 Von Hippel-Lindau(VHL)形成複合物,此複合物很容易被蛋白酶體(proteasome)辨認並且降解;若缺氧環境下 HIF-1α 則會入核與 HIF-1β 形成二聚體(dimer)並活化 HIF-1α 標的基因調節對缺氧的適應性反應。然而,糖尿病患者的組織缺氧且因為高血糖使 HIF-1α 大量降解或失去活性,致使 HIF-1α 標的基因表現量被抑制而無法啟動對缺氧環境的反應,造成傷口癒合不佳和併發潰瘍 [1]。為了改善糖尿病患者組織中 HIF-1α 不穩定的現象,抑制 HIF-1α 與 VHL 間的交互作用是一種有前景的策略,目前亦有可以穩定 HIF-1α 的 PHD 抑制劑進入臨床試驗階段,但是 PHD 抑制劑會引起致死性的肝臟壞死,嚴重的副作用使 PHD 抑制劑的使用產生了很大的疑慮。

在藥物開發的方法中,蛋白質交互作用(protein-protein interactions)是重要的策略標的之一,在 2016 年 Ciulli 發表了 VHL 和 HIF-1α 交互作用的抑制劑 VH298 [2],因此開啟了缺氧訊息傳遞路徑新的治療標的。金屬基化合物(metal-based compound)具有高度的結構多樣性、易於調節的空間及電子、金屬中心的氧化態及配位子(ligand)的特性,因此可以適應多樣的立體結構,使這些化合物能夠有效的改變構型而與蛋白質交互作用的區域結合。

在細胞中 HIF-1α 入核之後會與啟動子(promoter)中 HRE(hypoxia response element)結合,中國的研究團隊針對一系列環金屬(cyclometalated)的銥(Ir)/銠(Rh)金屬錯合物篩選具有穩定 HIF-1α 表現的化合物,利用雙冷光酵素報導基因檢測系統(dual-luciferase reporter)測定給予金屬錯合物後人類胚胎腎細胞中 hypoxia response element(HRE)的活性(圖一),結果顯示擁有兩個 2-phenyl pyridines (ppy) C^N 配位子和 dmeophen N^N 配位子的環金屬銥(III)錯合物(cyclometalated iridium(III) metal complex1a 具有最佳的效力能夠提升 HRE 表現,在細胞熱轉移試驗(cellular thermal shift assay)中也證實錯合物 1a 能夠干擾 VHL 和 HIF-1α 之間的交互作用 [3]。

圖一、 雙冷光酵素報導基因檢測系統方法流程圖,錯合物 1a 有效地提升 HRE 的活性,並存在濃度依存性。 圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41467-021-23448-7

抑制 VHL 和 HIF-1α 的交互作用會使 HIF-1α 大量在細胞中累積並增加下游標的基因的表現量,在人類胚胎腎細胞給予錯合物 1a 後 HIF-1α 及其下游之血管上皮細胞增生因子(vascular endothelial cell growth factor,VEGF)、葡萄糖運輸蛋白(glucose transporter 1,GLUT1)和紅血球生成素(erythropoietin,EPO)皆顯著增加,但是在缺乏 VHL 的腎臟癌細胞卻沒有觀察到此現象,證實了錯合物 1a 影響了 VHL 和 HIF-1α 的交互作用。已知糖尿病患者因 HIF-1α 表現不穩定而造成皮膚潰瘍傷口不易癒合,故利用小鼠模式確認錯合物 1a 能夠到達皮膚組織後,進而觀察錯合物 1a 對於糖尿病小鼠的皮膚潰瘍是否具有促進傷口癒合之作用,實驗結果證實給予錯合物 1a 的小鼠身上的傷口閉合速度較快(圖二),且皮膚厚度、膠原蛋白含量、血流速度和微血管密度都高於控制組,顯示錯合物 1a 在糖尿病小鼠具有促進傷口癒合和血管新生之功效。

環金屬銥錯合物 1a 做為 VHL 和 HIF-1α 交互作用之抑制劑提供糖尿病患者一個新的傷口癒合治療方法,但是其針對 VHL 和 HIF-1α 的交互作用仍需更多的臨床試驗來驗證。

圖二、錯合物 1a 具有促進正常小鼠(WT)以及糖尿病小鼠(db/db)傷口癒合之功效。 圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41467-021-23448-7

參考文獻:

[1] Catrina, S. B., & Zheng, X. (2021). Hypoxia and hypoxia-inducible factors in diabetes and its complications. Diabetologia, 64(4), 709–716. https://doi.org/10.1007/s00125-021-05380-z
[2] Frost, J., Galdeano, C., Soares, P., Gadd, M. S., Grzes, K. M., Ellis, L., Epemolu, O., Shimamura, S., Bantscheff, M., Grandi, P., Read, K. D., Cantrell, D. A., Rocha, S., & Ciulli, A. (2016). Potent and selective chemical probe of hypoxic signalling downstream of HIF-α hydroxylation via VHL inhibition. Nature communications, 7, 13312. https://doi.org/10.1038/ncomms13312
[3] Li, G., Ko, C. N., Li, D., Yang, C., Wang, W., Yang, G. J., Di Primo, C., Wong, V., Xiang, Y., Lin, L., Ma, D. L., & Leung, C. H. (2021). A small molecule HIF-1α stabilizer that accelerates diabetic wound healing. Nature communications, 12(1), 3363. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23448-7

撰文|張智婷
審稿|林書岑

About the author

張智婷

張智婷

畢業於台灣大學生化科技學系,研究專長為人類皮膚相關疾病及中草藥天然物分析,期望透過Investigator認識更多生醫領域愛好者並推廣生物科學。

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