Avigdor Scherz教授，研究更新

从光合作用到癌症治疗——绿色途径

整体总结
光合作用通过生物量的形成、氧气的产生和二氧化碳的消耗来维持地球上的生命。全球温度变化和可持续能源资源的需求给光合作用研究带来了新的挑战。因此，实验室研究的重要部分旨在了解光合作用适应不同生境环境温度的基本原理，以及设计新的、热稳定的和热柔性的微生物作为上述研究的新平台。
在光合作用的基本过程中，五元环叶绿素起着收集光和能量转换的关键作用，因此被定义为“生命的色素”。根据我们正在进行的光合作用研究，我们假设光合细菌(Bchl)中的叶绿素(Chl)与动物组织中的光之间的相互作用应该为癌症成像和治疗，视力威胁疾病的治疗和其他病理提供新的机会。为了实现这一应用，我们正在设计新的Bchl衍生物(Bchl- d)，具有更高的稳定性、水溶性和更好的药用能力，作为自由基生成器。
我们与生物调控系的Yoram Salomon教授的实验室合作(见相关摘要)，在静脉注射不同的Bchl-D后不久，在动物模型中对肿瘤进行照明，可以获得非常高的治愈率，从而对Chls作为“生命色素”的定义做出了新的解释。我们实验室关于新Bchl-D的药代动力学和药理学的发现有助于将拟议的治疗方式转化为临床试验，旨在首先高选择性地治疗局限性前列腺癌和年龄相关性黄斑变性。这些研究还提供了在高空间和时间分辨率下生成活性氧的新方法，并跟踪它们在细胞和血管过程中的作用。在过去的四年里，我们将药物设计、合成工作和生物学评估的主要部分集中在Bchl-D分子的新家族上，这些分子专门位于肿瘤血管和转移性肿瘤细胞，从而实现选择性成像、体内预后，并有望治疗局部和转移性癌症病变。在这里，我报告了我们实验室以及合作实验室在去年取得的进展和正在进行的研究。

*在较宽的温度范围内具有高驯化潜力的基因工程蓝藻。
野生光合嗜叶嗜生物的重要生长被限制在一个狭窄的温度范围内，这个温度范围是由位于光合反应链两端的酶的热敏感性决定的:光系统II (PSII)和Rubisco复合体。因此，预测的全球变暖几度可能会降低初级生产力，动摇全球生态系统，并对粮食和可持续能源资源构成威胁。在揭示了PSII中亲叶生物和嗜热生物中控制电子转移温度适应的元素(1)后，我们开始产生新的光合生物菌株，它们比野生型在更大的温度范围内发挥作用，使生物量生产适应即将到来的全球变化。在本研究中，我们发现PSII蛋白复合物D1-212和D1-209位点的突变，使中温Synechocystis sp. PCC6803整个细胞的稳定性、热塑性和光合活性在15 - 43之间oC范围。来自稳定PSII的持续电子流使光系统I和Rubisco蛋白的表达和对温度范围的生理适应明显比野生型更宽。所提出的方法可能为生态系统适应和为生物技术应用在升高和波动温度下生长的稳健初级生产者提供了第一步(2)。

*分子中原子静电势变化的测量及其意义
分子中原子静电势的变化在分子间和分子内电荷动员、蛋白质折叠、生物和非生物催化等许多实验观察过程中起着关键作用。然而，迄今为止对这些变化的直接测量和它们对特定反应性影响的证据很少。在这里，我们测量了生物学上重要电子受体中特定原子上ESP的变化，并首次展示了它们对捐赠电子的收获和定位的影响。对金属化和非金属化Bchls分子的计算分析，为不同表面上的自组装单层的实验观察提供了合理的依据。特别重要的是与直觉相反，但实验观察和计算证实，在这些分子中，带正电负性和强电负性金属上的负ESP的演化。这种现象可以用金属配位原子的电子密度吸引来解释。结合实验和计算数据表明，光合机制中的Chl和Bchl已经自组织，以提供最大的定向电子流效率，部分解释了这些过程的高量子产量，并为人造太阳能收集系统提供了新的指导方针(3)。

图1图卡- vtp处理(2 mg/kg, 5根纤维)前(上图)和后(下图)的人前列腺MR灌注图像。暗区灌注阻滞明显。尿道完好无损。

**在I/IIa期剂量递增研究中，使用Tookad (WST09)放疗失败后复发的前列腺癌的光动力治疗
继先前的I/II期研究(4)之后，本研究旨在评估tooka - vascular Targeted光动力疗法(VTP)作为外束放疗后局部前列腺癌患者全器官消融的疗效。在我们实验室进行临床前研究后，推出了一种新的光动力学方案，在敏化剂输注期间开始照明。患者接受2 mg/kg的固定光敏剂剂量和由计算机辅助治疗计划确定的患者特定光剂量。在超声引导下，多达6个圆柱形扩散光传递纤维经会阴放置在前列腺内。通过血清PSA、7天钆增强t1加权MRI和6个月活检测量无血管病变形成来评估治疗效果。治疗整个前列腺是可能的，对周围器官的影响最小。增加光剂量可改善组织反应，MRI相关的无血管病变，在一些患者中包涵高达80%的前列腺。通过6个月活检，13例患者中有8例在90%的前列腺体积(D90 > 23 J/cm2)接受至少23 J/cm2的轻剂量治疗，观察到完全治疗缓解。大多数患者副作用轻微且自限性强，但有2例患者发生直肠瘘，其中1例自发闭合。综上所述，tooka - vtp可在辐照前列腺中产生较大的无血管区域，并且在高光剂量下活检反应完全为阴性。 A response rate of greater than 50% for those patients receiving the highest light doses shows the clinical potential of Tookad-VTP to manage post-EBRT recurrence of prostatic carcinoma (5).

定量结构-活性关系模型预测人血清白蛋白结合细菌叶绿素衍生物的亲和力
近年来，我们实验室开发了多种细菌叶绿素(Bchl)衍生物作为血管靶向光动力治疗(VTP)的循环光激活剂。Tookad和WST11这两种化合物已经分别进入了治疗局限性前列腺癌(4,5)和年龄相关性黄斑变性(6)的II期临床试验。在所有这些情况下以及在其他临床应用的增敏剂的情况下，与血清蛋白的结合亲和力极大地影响了增敏剂的生物分布、作用方式以及随后的疗效和毒性。水溶性Bchl衍生物(Bchl- d)，如WST11，与血浆的主要成分和许多药物的公认载体血清白蛋白的结合亲和力特别有趣，因为它们在血液中循环时起作用，可能作为Bchl- d /HSA非共价复合物(Brandis et al, 2005)。因此，在分子结构和性质方面理解这种亲和性的基础因素，即定量结构-活性关系(QSAR)的构建，其中活性被定义为对HSA的亲和性，是重要的，并将使新的增敏剂能够适应特定的应用。
在本研究中，我们构建了两个QSAR模型来预测几种Bchl-D的HSA结合亲和力。这两个模型都以高相关性预测了训练集和外部集的结合亲和力，这表明除了化合物的疏水性外，化合物的电负性在决定其与HSA的结合亲和力方面起着关键作用。这一新发现为合理设计新的敏化剂提供了新的指导方针，这些敏化剂专门用于病变与其宿主器官的成像和VTP(7)。

**通过新型rgd细菌叶绿素衍生物对原发肿瘤和坏死肿瘤域进行成像和治疗
原发性和转移性肿瘤的坏死和缺氧与肿瘤的侵袭性和癌症患者的不良预后密切相关。肿瘤坏死被确定为治疗结果的独立预测因子，建议常规报告并用于临床评估。坏死和缺氧是已知的癌症治疗的一个主要问题。因此，它们的早期识别和体内成像可能对治疗计划至关重要。在癌症研究和治疗中，越来越需要高分辨率成像技术来区分原发肿瘤和坏死肿瘤区域。
随着肿瘤生长，它们需要增加血液供应，从而切换到血管生成表型，典型表现为血管整合素表达增强。整合素家族的许多成员识别包含Arg-Gly-Asp (RGD)基序的配体，使得含有RGD的化合物成为肿瘤靶向的有吸引力的载体。最近，我们的实验室合成了一个新的rgd - Bchl偶联物家族((8)和Rubinstein E, Brandis a, Salomon Y &， Scherz a(2008)，通过亲和素-生物素- rgd结构靶向内皮细胞粘附和细菌叶绿素衍生物的细胞光毒性，正在制备中)。由于这些分子的固有荧光和它们的肿瘤归巢能力，它们能够分别成像富含整合素的肿瘤成分。
我们使用原位移植的人乳腺癌和皮下移植到CD1裸鼠乳垫的人卵巢癌，探索新的RGD-Bchl偶联物对原发性和转移性肿瘤病变的成像和治疗。在本研究中，我们发现(图2)c(RGDfK)-2H-MLT(其中MLT代表偶联物中的Bchl部分)在给药后的前3-10小时内在肿瘤活区积聚，随后迁移到肿瘤坏死区。在这里它停留了> 8天，可以清晰地成像这个区域。在前10小时，对肿瘤体积的照射导致肿瘤消退。正在进行的研究旨在解决RGD-MLT在坏死区域积聚的机制，开发联合治疗方法，并将坏死药物积聚开发成新的治疗方式(Goldshaid L, Segal D, Rubinstein E, Brandis A, Eren D, Neimann K. Salomon Y & Scherz A(2008)，在准备中;)．
图2 MDA-MB-231-RFP原位肿瘤(肿瘤大小~1 cm3)中c(RGDfK)-2H-MLT的积累。小鼠注射c(RGDfK)-2H-MLT。图像拍摄于药物注射后第1天至第7天。RFP转染细胞的顶板成像。底部面板- c(RGDfK)- 2h - mlt荧光成像。

**受体-配体结合位点原子电荷和静电势的精确描述介绍RGD-Bchl-D/整合素受体结合的新概念和新工具
在过去三十年中，小分子与大分子靶标结构的计算对接已成为许多药物发现项目的关键组成部分，并广泛应用于命中识别和先导优化。对接过程涉及到结合位点内配体构象和方向的预测，其中所采用的能量模型通常是具有固定的、不可极化的原子电荷的分子力学(MM)力场(例如Amber和CHARMM力场)。由于这些电荷所描述的静电相互作用对非结合配体-受体能量有主要贡献，精确的配体和结合位点电荷可能会导致更好的对接。这些可以通过考虑配体和/或它们的对应物以及周围蛋白质和水环境的结合位点的极化来获得，无论是利用偏振力场还是量子力学/分子力学(QM/MM)方法。
QM/MM混合方法将系统划分为QM和MM层，并描述由于周围环境的影响，QM处理的分子域的极化，通常根据MM力场建模为固定的原子电荷。在最近的一项研究中，与MM力场(oppls)中的固定电荷相比，从QM/MM计算中获得的精确配体电荷可以显著提高对接结果。作为补充，结合位点的电荷可以严格计算。在我们实验室之前的研究中，我们使用高密度泛函定理(DFT)计算，通过实验和计算表明，由于电负性均衡，连接金属的有效电荷明显小于其形式电荷(9)。
受这些研究的启发，以及当前方法未能明确考虑对接地点的金属电荷，我们正在开发一种方法，用于准确计算受体结合地点的QM质量、原子部分电荷和ESP，并使用这些电荷和ESP值来改进对接模拟。QM/MM方法将用于解释周围蛋白质环境对结合位点的极化。使用含有配体的RGD的分解结构(Goldberg E.和Scherz A.， 2008，在制备中)。

**水溶液中WST11/血清白蛋白非共价配合物催化生成氧自由基。
本研究主要研究血清白蛋白对水溶液中光激发WST11生成ROS谱的影响。综上所述，我们的数据引入了一个新概念，即WST11/SA非共价加合物，即我们小组之前提出的循环WST11的主要形式(Brandis et al, 2005)，催化电子从蛋白质基质转移到溶剂化氧分子，从而产生超氧自由基。如前所述，超氧自由基可以进一步生成羟基自由基(Vakrat-Haglili et al, 2005)。利用飞微秒时域的光学吸收和荧光光谱、光谱电化学、不同自旋陷阱的电子顺磁共振和氧测量，我们:(1)在SA、全血清和淬灭剂存在下，跟踪水溶剂化WST11对光激发的物理和化学响应;(2)识别和量化进化的ROS;(3)监测SA存在和不存在时WST11光激发反应的耗氧速率和产氧量;(4)监测ROS生成后SA分子的化学修饰。我们发现，WST11在纯水溶液中产生了数量相当的超氧化物和羟基自由基，但没有检测到单线态氧，同时通过氧化过程快速降解，正如先前对Tookad的观察(vakratt - haglili等人，2005)。添加的SA显著降低了WST11的光化学降解，以及自旋捕获ROS信号的产量。尽管如此，与不含SA的溶液相比，大约70%的羟基自由基会产生，并且每单个WST11分子耗氧率和产氧量增加到约15。 These and other findings provide the ground for understanding the mechanism underlying vascular arrest by the circulating Bchl-D ((9) and Ashur I, Goldschmidt R, Pinkas I, Salomon Y, Sarna T & Scherz A, 2008, In preparation).
*本研究由法国Steba-Biotech公司支持。
**本研究由Avron-Minerva基金会和Koret基金会支持

选定的出版物
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