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抗體以外的選擇:凝集素作為抗癌藥物載體

近年來針對細胞膜上受體所設計的抗體藥大行其道,多醣(glycan)由於其結構複雜增加了研究難度,以其為藥物標的的研究相對較少。2018年日本筑波大學以及筑波產業技術綜合研究所(AIST Tsukuba)的團隊發表在 Molecular Cancer Therapeutics 的研究發現,可針對胰臟癌細胞膜上所表現的特定多醣,將具細胞毒性的藥物送入癌細胞中 [1],達到毒殺癌細胞的效果。

該團隊從六種胰腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma)細胞株中,選出一種稱作 Capan – 1 的細胞株,其具有明顯的腺體分化和癌細胞周遭基質(stromal component)增生,而細胞表面標記顯示其為良好至中等分化(well – to – moderate differentiated),在病理學與免疫學上與常見之胰臟癌相似。同時,他們以凝集素晶片技術(lectin microarray)針對這六種胰腺癌細胞株測試了 96 種來自細菌、真菌、動物之凝集素(lectin),發現 Capan – 1 之測試結果中,最具顯著差異者為 rBC2LC – N(recombinant N – terminal domain of BC2L – C)。

BC2L – C 是個來自洋蔥伯克氏菌(Burkholderia cenocepacia)的凝集素,會結合特定的寡醣【註1】,而帶有此寡糖的物質包含 H 抗原 1、3、4 型、Lewis b 抗原、Globo H【註2】等 [2]。該團隊曾報告 rBC2LC – N 會辨識誘導式多能幹細胞(iPSC)或胚胎幹細胞(ESC)上的多醣,而此次在胰臟癌細胞的發現實屬意外的驚喜 [3]!進一步以活細胞染色、組織染色和流式細胞儀確認,rBC2LC – N 不只可辨認 Capan – 1,也能辨認其他的胰臟癌,且分化程度越高者染色結果越明顯。重要的是,癌細胞周遭的基質纖維母細胞(stromal fibroblast cells)完全不會被染色,這表示 rBC2LC – N 和其辨認的 H 抗原 1、3、4 型具有作為藥物標的潛力!

註1、具體為 Fucα1 – 2Galβ1 – 3GlcNAc、Fucα1 – 2Galβ1 – 3GalNAc
註2、Globo H就是前一陣子很夯的浩鼎的癌症疫苗臨床試驗中所針對的癌症抗原。

一般來說,來自其他動物、細菌或真菌的凝集素通常會在人體內引起血球凝集(hemagglutination),但研究人員發現,rBC2LC – N 在高劑量下也不會造成血球凝集!既然如此,他們將腦筋動到抗癌藥物的製作。最直觀的方法就是把他和毒素結合起來,形成所謂的凝集素-藥物結合物(lectin drug conjugate, LDC)。首先他們使用了綠膿桿菌外毒素(Pseudomonas aeruginosa exotoxin A, PE A),這是一個已知會抑制蛋白質合成的毒素。他們將其中 38 – kDa 的片段和 rBC2LC – N 結合,產生一個稱作 rBC2 – PE38之大分子 [4]。實驗發現,rBC2 – PE38 會結合至癌細胞表面,透過胞吞作用(endocytosis)進入癌細胞內,並殺死癌細胞。

圖一、(A)  rBC2LC – N 會辨識特定的多醣結構。(B) 結合綠膿桿菌外毒素的凝集素-藥物結合物,可以辨認細胞表面多醣,並藉由胞吞作用使藥物進入細胞內。圖片來源:https://doi.org/10.1158/1535-7163.MCT-17-0232

在親合度測試中,發現其和 Capan – 1 細胞之 K值(dissociation constant)約為 171.4 nM。一般抗體之 K值約為 10-7~10-9 M(nM級),較強的抗體可達 10-9~10-12 M(pM 級),因此這個分子可說具有高度親和力 [5]。而其 IC50(half maximal inhibitory concentration)為 1.04 pg/ml,僅為傳統immunomoxin 濃度(ng/ml 量級)之千分之一。

確定其效果後,接著是安全性。rBC2 – PE38 在極高濃度時(25 ug/ml)會引起小鼠血球凝集,不過這個濃度相對其 IC50 而言是相當高的。而其小鼠之 LD 50(50 %  lethal dose)也很高(腹腔內注射 7.14 μg/mouse;靜脈注射 7.22 μg/mouse),表示其作為藥物的安全性還算不錯。

圖二、(A) rBC2 – PE38 之示意圖。(B)-(D) 各種毒性測試。(E) 螢光染色顯示 rBC2 – PE38 會結合到細胞上並進入細胞。圖片來源:https://doi.org/10.1158/1535-7163.MCT-17-0232

在小鼠腫瘤模型中,包含細胞株異體移植(cell line – based xenograft, cell – xeno)和病患腫瘤異體移植(patient – derived xenograft, PDX)、腹腔轉移(peritoneal dissemination)模型等諸多試驗,均顯示rBC2 – PE38 能減低腫瘤量、增加存活時間與存活率。

此篇論文雖只做到小鼠模型,但整段故事展現了藥物開發的模式,從標的物篩選、LDC 製作、毒性與安全性測試,到腫瘤小鼠模型。最重要的是他們發現了凝集素作為藥物的潛力,並扭轉了凝集素會造成凝血的傳統印象。不論這個化合物在未來臨床發展如何,我們都該好好感謝這些科學家的努力。

參考文獻:

  1. Shimomura, O., Oda, T., Tateno, H., Ozawa, Y., Kimura, S., Sakashita, S., …Ohkohchi, N. (2018). A Novel Therapeutic Strategy for Pancreatic Cancer: Targeting Cell Surface Glycan Using rBC2LC-N Lectin–Drug Conjugate (LDC). Molecular Cancer Therapeutics, 17(1), 183–195. https://doi.org/10.1158/1535-7163.MCT-17-0232 
  2. Sulák, O., Cioci, G., Lameignère, E., Balloy, V., Round, A., Gutsche, I., …Imberty, A. (2011). Burkholderia cenocepacia BC2L-C is a super lectin with dual specificity and proinflammatory activity. PLoS Pathogens, 7(9), e1002238. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1002238 
  3. Tateno, H., Toyota, M., Saito, S., Onuma, Y., Ito, Y., Hiemori, K., …Asashima, M. (2011). Glycome diagnosis of human induced pluripotent stem cells using lectin microarray. The Journal of Biological Chemistry, 286(23), 20345–20353. https://doi.org/10.1074/jbc.M111.231274 
  4. Tateno, H., Minoshima, F., &Saito, S. (2017). Engineering of a Potent Recombinant Lectin-Toxin Fusion Protein to Eliminate Human Pluripotent Stem Cells. Molecules, 22(7), 1151. https://doi.org/10.3390/molecules22071151 
  5. KD value: https://www.abcam.com/primary-antibodies/kd-value-a-quantitive-measurement-of-antibody-affinity  

撰文|紀威佑
審稿|黃文彥

About the author

紀威佑

紀威佑

臺大醫學系畢業,曾為臺大iGEM代表隊成員,曾於台大、中研院、AMC實驗室進行實習。對科普推廣與寫作有很大的興趣,希望能和志同道合的朋友交流,並做為知識的傳播者為科學社群盡一份心力。

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