基于二次离子质谱成像的金属抗癌药物对微量元素胞内平衡的干扰研究

Trace elements play a significant role in many physiological processes. The imbalance of metabolism or abnormal homeostasis of trace elements will cause pathogenetic changes which finally lead to development of diseases. Anticancer metallodrugs like cisplatin usually attach DNA directly, but they can also interact with many metalloproteins and metal chaperone proteins, and compete with trace metal elements for binding to these proteins. Such competitions may disturb the cellular homeostasis of trace metal elements, influencing the normal biological functions of metalloproteins, or chaperone proteins and enzymes which may in turn cause severe side effects. In this proposed project, we plan to develop an imaging secondary ion mass spectrometry (SIMS) based method to study the effect of anticancer metallodrug, cisplatin, on the cellular uptake and homeostasis of trace metal elements. Furthermore, by combination with other analytical techniques such as confocal laser scanning microscopy, ICP-MS, etc. to deeply investigate the relationship between administration of cisplatin and the metabolism and homeostasis of the key trace elements iron, zinc and copper, so as to explore the effect of cisplatin on the cell development and growth through the disturbance in the homeostasis of trace metal elements. The success of this project would provide not only a new platform for studying the metabolism of trace elements at the single cell level, but also the experimental and theoretical basis for the research and development of novel anticancer drugs.

微量元素在生命活动中发挥着极其重要的生理学功能，其代谢失衡会引起系列病理改变并最终导致疾病发生和发展。金属抗癌药物，如顺铂等除直接作用DNA之外，也能与细胞内外的金属（转运、伴侣）蛋白相互作用，与微量金属元素竞争与蛋白质的结合。这种竞争作用有可能干扰微量金属元素的体内平衡，影响金属蛋白（或酶）的生物功能，导致严重的毒副作用。本项目旨在发展二次离子质谱成像技术，在单细胞水平上研究金属抗癌药物的使用对微量金属元素细胞摄入、代谢平衡的影响。进一步结合单细胞光学成像、ICP-MS定量分析等方法，深入研究抗癌药物对铁、锌和铜元素体内代谢、平衡的影响，探索金属抗癌药物引起的微量金属元素代谢失衡可能导致的细胞发育、生长异常。本项目研究既可为单细胞水平上生物微量元素代谢平衡研究提供新的方法平台，预期研究成果也将为新型抗癌药物的研发提供实验基础和理论依据。

该项目针对金属抗癌药物能与细胞内外的金属结合蛋白配位、干扰微量金属元素的胞内平衡而引起病理改变这一科学问题，发展和建立基于二次离子质谱（SIMS）成像的技术，并结合光学成像、ICP-MS定量分析等方法，在单细胞水平上深入研究金属抗癌药物对铁、锌和铜元素体内代谢、平衡的影响，探索金属抗癌药物引起的微量金属元素代谢失衡可能导致的细胞发育、生长异常。主要研究成果包括：①探索适用于高真空条件下细胞样品制备的新方法，发展和建立基于TOF-SIMS的单细胞药物分布成像方法，进而，通过可寻址微刻度样品板实现了TOF-SIMS 化学成像与共聚焦光学成像对金属药物在亚细胞水平的共定位研究方法的建立；②基于以上建立的联用成像技术平台，获得了顺铂以及铁、锌、铜等微量元素的亚细胞质谱成像；在单细胞水平上证实了本课题组新合成的多靶点有机金属钌化合物在细胞膜和细胞核同时分布的双靶点特性，显示了该方法在单细胞原位研究金属药物分布及与靶分子相互作用的应用前景；应用该方法还发现HMGB1融合蛋白质的荧光成像信号能很好的与顺铂在细胞核内的质谱成像信号叠合，并且随着顺铂剂量的增加，叠合区域增大，表明细胞内HMGB1能富集于顺铂损伤DNA的部位，首次在单细胞水平上证实了HMGB1蛋白质对顺铂损伤DNA的识别功能；③应用ICP-MS 定量技术对不同剂量顺铂给药的正常细胞和癌细胞、以及全细胞和细胞核中的铂以及微量金属元素进行了研究和分析，获得顺铂给药剂量与胞内微量元素摄入量的量化关系；④应用基于质谱的分析技术对顺铂和钌基有机金属抗癌化合物与铜离子相关蛋白Cox17、单/双链DNA、G-四链体DNA等的相互作用进行了研究，从分子水平上为解释金属抗癌药物的作用机理提供了丰富的化学信息，间接地为顺铂影响胞内微量金属元素平衡的机理提供了理论支撑。项目执行期间，向国际、国内有关学术会议提交会议论文4篇，做口头报告1次；发表SCI论文6篇，中文核心1篇，协助指导和培养博士研究生2名，1名硕士生转为博士生。