配体主刀，萃出骨中毒素：苏州大学团队发现可清除骨组织中铀的药物

配体主刀，萃出骨中毒素：苏州大学团队发现可清除骨组织中铀的药物
2019/8/3 2:13:12学术经纬学术经纬





     ▎学术经纬/报道

     提到“铀(U)”这个元素，大家会很自然地将其与核工业、核武器联系在一起。自然界中U主要以三种放射性同位素存在(²³⁴U、²³⁵U、²³⁸U)，其中²³⁵U是目前唯一能够发生可控裂变的同位素，因而可用作核反应的核燃料，²³⁸U也已在飞行器及军事领域得到了重要的应用。U主要存在于钙铀云母、沥青铀矿等含铀矿物中，在海水中微量存在，正常人体内平均含量仅为1 ppm(百万分之一)。

     尽管U距离人们的日常生活十分遥远，但核工业作为蓬勃发展的新兴产业，参与其研究及生产的人与日俱增，部分工作人员会长期暴露于含铀环境中。此外，一旦发生核电站核泄漏事故，影响范围将十分庞大。2011年3月，日本福岛核电站在地震后发生核泄漏，居民撤离半径达到30公里，日本、美国及中国等邻近地区均检测到铀裂变的产物出现。

     除了¹³¹I、¹³⁷Cs等铀裂变产生的其他放射性元素对人体带来的危害，U本身也具有生理毒性。U主要以包含+6价铀酰离子(UO₂²⁺)粉尘、气溶胶的形式经呼吸道、消化道、皮肤及伤口等进入体内，大约三分之二能随同血液循环得到清除，并经肾脏排出体外，剩余的三分之一会富集于肾脏与骨组织中，由此可导致相关脏器病变及恶性肿瘤发生。为此，人们也发展了一系列铀促排剂药物应对铀中毒，但U对骨组织的损伤一直未得到合理的解决。UO₂²⁺可与人体骨骼中的主要无机成分羟基磷酸钙(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)反应，置换出Ca²⁺，形成极难溶的磷酸铀酰产物，从而影响骨代谢。

     最近，苏州大学的王殳凹、周如鸿以及第五娟教授团队合作，报道了一种双(羟基吡啶酮(HOPO))类配体5LIO-1-Cm-3,2-HOPO(L)。体内和体外实验表明，这种配体相比于以往发展的药物对UO₂²⁺具有更强的结合能力，且选择性好、毒性较低，形成的产物可有效排出体外。L不仅可清除肾脏中的铀，对骨组织中的铀也具有良好的促排效果，有望成为临床治疗铀中毒的理想药物。相关工作发表在Nature Communications上。

     ▲题图来源：参考资料[2]

     早期人们曾使用碳酸氢钠、柠檬酸钠溶液等静脉滴注的方式解决这一问题，但用量较大，很容易造成体内酸碱不平衡及电解质紊乱。螯合疗法是目前治疗铀中毒的最佳手段，UO₂²⁺具有线性结构，U金属中心配位不饱和，可与其他配体进一步配位。因而人们可使用多齿螯合配体作为促排剂解决这一问题。理想的铀促排剂应具备以下特点：(1)选择性好，与UO₂²⁺具有很强的结合能力，形成热力学稳定的可溶性配合物，促使其排出体外；(2)螯合剂本身生物相容性好、毒性低。二乙烯三胺五乙酸钙钠盐(CaNa₃-DTPA)及相应的锌钠盐(ZnNa₃-DTPA)是目前美国FDA批准用于治疗此类疾病的药物，其他类型的药物还包括邻苯二酚(CAM)、对苯二甲酰胺(TAM)、羟基吡啶酮(HOPO)、壳聚糖及其衍生物等。但这些药物要么对UO₂²⁺清除效果不理想，要么对肝、肾脏具有严重的毒性，并且到目前为止尚无有效的骨组织中UO₂²⁺清除手段。

     苏州大学的研究团队设计的L在分子内同时引入HOPO与酰胺基团，并在两者之间引入一个亚甲基大幅度削弱HOPO中羟基与酰胺中氨基的分子内氢键作用，避免其造成羟基氧的配位能力下降，由此解决了常规HOPO类四齿配体中存在的问题。合成这种配体仅需4步反应，方法十分简单。反应从商品化的吡啶-2,3-二醇出发，与BrCH₂COOC₂H₅混合发生N-烷基化形成A，A使用BnCl对3位的羟基进行保护，并进一步水解酯基得到B，随后两分子的B与1,5-二氨基-3-氧杂戊烷缩合形成5LIO-1-Cm-3,2-HOPOBn，该中间体再消除苄基保护基便得到最终产物。

     ▲L的合成过程(图片来源：参考资料[2])

     作者首先对L与不同阳离子的结合能力进行考察。L与UO₂²⁺的配合物稳定常数显著高于以往大多数的配体，仅次于TAM-HOPO。除此之外，该配体与UO₂²⁺的配位能力远大于Zn²⁺、Cu²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等人体必需元素，在生理pH条件下，L几乎不与Ca²⁺、Mg²⁺结合，在UO₂²⁺存在下也不会与Zn²⁺、Cu²⁺配位。由此表明其对UO₂²⁺具有优异的结合能力和选择性。L与UO₂²⁺结合形成的UO₂L、UO₂LH⁺均具有良好的溶解性，因而可随人体代谢有效排出体外。

     ▲L的质子化常数以及L与UO₂²⁺的配合物稳定常数(图片来源：参考资料[2])

     他们还通过密度泛函理论(DFT)计算证实了为何L对UO₂²⁺具有优异的结合能力。以此前发展的配体5LIO-(Me-3,2-HOPO)为例，理论上讲，羟基吡啶酮的OH去质子化后可与酰胺氨基的H形成很强的氢键作用，由此影响其与UO₂²⁺的配位；而L中OH距离氨基的H较远，去质子化后可规避分子内氢键作用。计算表明，两种配体电子密度表面的静电势全局最小值均位于OH去质子化后的两个O之间，L对UO₂²⁺具有更有效的长程静电吸引作用以及更大范围的配位区域。此外，L侧链的氨基与亚甲基也可同时与UO₂²⁺的其中一个O原子形成分子间氢键作用，由此进一步加强了配体与UO₂²⁺的结合能力。

▲5LIO-(Me-3,2-HOPO)与L的结构与静电特征(图片来源：参考资料[2])

     ▲5LIO-(Me-3,2-HOPO)及L对UO₂²⁺配位产生的分子内氢键作用(图片来源：参考资料[2])

     随后，作者又进一步开展了L的体外与体内试验。L对大鼠肾近端小管上皮细胞(NRK-52E细胞)的毒性低于以往发展的ZnNa₃-DTPA、5LIO-Me-3,2-HOPO药物，结合后的产物可更有效地排出细胞外。小鼠试验也表明，L可更有效地清除小鼠肾脏及股骨中的UO₂²⁺，其对股骨中UO₂²⁺的清除效率比5LIO-Me-3,2-HOPO高6倍。L不仅可以通过静脉注射给药，口服给药也可以取得显著的效果。另外，L对UO₂²⁺的促排效果不具有明显的时效性，小鼠接触铀后48小时内接受治疗均可有效地实现UO₂²⁺排出，这对于很多遭遇核事故却无法得到快速治疗的患者来讲具有非常重要的意义。

▲不同铀促排剂的细胞毒性及NRK-52E细胞中UO₂²⁺的清除效率(图片来源：参考资料[2])

     ▲不同铀促排剂作用下小鼠肾脏及股骨中UO₂²⁺的清除效率及体外HAP中UO₂²⁺的脱附效率(图片来源：参考资料[2])

     美国罗格斯大学(Rutgers University)的Sidney Katz教授对这项工作给予了高度的评价，称其很好地将理论计算与实验相结合，并十分看好L作为铀促排剂的应用前景，期待L早日进行更为全面的毒理学评价及临床试验，造福于铀中毒患者。

     题图来源：参考资料[3]

     参考资料

     [1] Xiao Yiming et al., (2017). Research Progress on Some Uranium Mobilization Agents. J. Rad. Res. Rad. Proc., DOI: 10.11889/j.1000-3436.2017.rrj.35.040102[2] Xiaomei Wang et al., (2019). A 3,2-Hydroxypyridinone-based Decorporation Agent that Removes Uranium from Bones In Vivo. Nat. Commun., DOI: 10.1038/s41467-019-10276-z[3] New Ligand Removes Uranium from Bones. Retrieved Aug 1, 2019, from https://www.chemistryworld.com/news/new-ligand-removes-uranium-from-bones-/3010722.article

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