A novel lonidamine derivative targeting mitochondria to eliminate cancer stem cells by blocking glutamine metabolism  

一種靶向線粒體的新型氯尼達明衍生物，通過阻斷谷氨酰胺代謝來消除癌癥干細胞

期刊：Pharmacological Research（DOI: 10.1016/j.phrs.2023.106740）  

 

摘要核心內容

 

本研究設計了一種新型線粒體靶向化合物HYL001（洛尼達明衍生物），通過特異性阻斷谷氨酰胺（Gln）代謝，選擇性消除癌癥干細胞（CSCs）。HYL001對乳腺癌干細胞（BCSCs）和肝癌干細胞（HCSCs）的抑制活性分別比原型藥物洛尼達明（LND）強380倍和340倍。機制上，HYL001下調谷氨酰胺酶（GLS）表達，阻斷谷氨酰胺代謝，抑制三羧酸（TCA）循環，放大線粒體氧化應激，誘導CSCs凋亡。體內實驗證實HYL001顯著抑制腫瘤生長和轉移，并與紫杉醇（PTX）協同增效。此外，HYL001有效抑制肝癌患者新鮮腫瘤組織中的CSCs。

 

研究目的

 

開發高效低毒的CSCs靶向藥物，解決CSCs介導的腫瘤復發、轉移和耐藥問題；闡明HYL001通過靶向線粒體代謝清除CSCs的分子機制。

 

研究思路

 

分子設計：  

 

基于線粒體膜負電性，將線粒體靶向單元（TPP?）與LND通過芳香環連接（非長鏈烷烴），合成HYL001（圖1a）。  

體外驗證：  

 

評估HYL001對CSCs（乳腺球/腫瘤再生細胞TRCs）的選擇性殺傷（圖1b-f）。  

 

分析線粒體結構/功能（膜電位、活性氧）、代謝（TCA循環、OXPHOS）及凋亡通路（圖2-4）。  

機制探索：  

 

代謝組學揭示Gln代謝阻斷（圖3a-b）；驗證GLS表達下調（圖3d-e）及CSCs的Gln依賴性（圖3f-m）。  

體內評價：  

 

皮下/原位/轉移瘤模型驗證抗腫瘤效果（圖5-6）；肝癌患者新鮮組織實驗（圖7）。

 

聯合治療：  

 

與PTX聯用增強療效（圖6b-d）。  

 

測量數據及其意義

 

（1）CSCs選擇性殺傷（圖1）

數據：HYL001對BCSCs的IC??（0.44 μM）比LND低380倍（圖1b）；顯著抑制TRCs集落形成（圖1c-e）。  

 

意義：HYL001高效靶向CSCs，克服LND臨床療效不足的缺陷。  

 

（2）線粒體損傷與凋亡（圖2）

數據：  

 

電鏡顯示HYL001破壞線粒體嵴結構（圖2a）；JC-1檢測膜電位崩潰（圖2b-c）。  

 

流式細胞術證實劑量依賴性凋亡（圖2d, g）。  

 

意義：HYL001通過線粒體途徑誘導CSCs凋亡。  

 

（3）Gln代謝阻斷（圖3-4）

數據：  

 

代謝組學顯示Gln積累、Glu/Gln比值下降（圖3a-b）；Western blot驗證GLS蛋白下調（圖3d）。  

 

TCA循環中間產物（α-KG、琥珀酸等）顯著減少（圖4b）；ATP水平下降（圖4e）。  

 

意義：HYL001通過抑制GLS阻斷Gln代謝，破壞CSCs能量供應。  

 

（4）氧化應激放大（圖4）

數據：  

 

HYL001降低谷胱甘肽（GSH）（圖4f），增加線粒體活性氧（mtROS）（圖4g-i）。  

 

抗氧化劑（GSH/TEMPO）可逆轉HYL001的殺傷作用（圖4j-m）。  

 

意義：代謝紊亂引發氧化應激，是CSCs死亡的關鍵機制。  

 

（5）體內抗腫瘤效果（圖5-6）

數據：  

 

皮下瘤模型：HYL001抑制腫瘤生長（TIR=44%），降低CD133? CSCs比例82.1%（圖5a-f）。  

 

轉移模型：減少肺轉移結節（300→60），延長生存期31.2%（圖5h-l）。  

 

聯合PTX：腫瘤抑制率提升至75%（圖6b-d）。  

 

意義：HYL001單藥或聯用均能有效清除CSCs，抑制腫瘤進展。  

 

（6）臨床樣本驗證（圖7）

數據：HYL001處理肝癌患者新鮮組織后，CD133? CSCs減少，GLS表達下降（圖7h-i, m）。  

 

 

意義：HYL001在臨床樣本中保持抗CSCs活性，具轉化潛力。  

 

丹麥Unisense微電極數據的詳細解讀

 

測量目的與技術原理

目的：直接量化BCSCs的線粒體氧消耗速率（OCR），評估HYL001對氧化磷酸化（OXPHOS）的抑制。  

 

技術原理：Unisense微電極采用Clark氧電極，通過電化學傳感實時檢測溶解氧濃度變化，靈敏度高（可測nmol/L級氧消耗）。  

 

實驗結果（圖4c-d）

 

數據：  

 

HYL001處理4小時后，BCSCs的OCR呈劑量依賴性下降（5 μM HYL001使OCR降低60%）。  

 

LND（10 μM）對OCR無顯著影響。  

 

機制關聯：OCR下降直接證實HYL001阻斷Gln代謝后，削弱了TCA循環的電子供體（NADH/FADH?）生成，導致OXPHOS受阻。  

 

研究意義

直接證據：提供HYL001抑制線粒體呼吸鏈功能的實時代謝數據，彌補間接指標（如ATP檢測）的局限性。  

 

技術優勢：  

 

高時空分辨率：可檢測少量細胞（10?細胞）的瞬時氧耗變化，適用于原代CSCs等稀缺樣本。  

 

動態監測：揭示HYL001的快速起效特性（4小時內顯著抑制OCR）。  

生物學價值：  

 

證實CSCs依賴OXPHOS供能，靶向線粒體代謝是清除CSCs的有效策略。  

 

為開發類似線粒體靶向藥物提供關鍵代謝表型評估方法。  

 

結論

 

分子創新：HYL001通過芳香環連接TPP?與LND，實現高效線粒體靶向，毒性低于長鏈烷烴衍生物。  

 

機制突破：  

 

下調GLS表達→阻斷Gln代謝→抑制TCA循環/OXPHOS→放大mtROS→選擇性誘導CSCs凋亡。  

 

CSCs因高Gln攝入和GLS表達而對該機制敏感（圖3f-g）。  

 

治療價值：  

 

單藥抑制腫瘤生長、轉移并清除CSCs；與PTX聯用顯著增效。  

 

在肝癌患者組織中驗證抗CSCs活性，具臨床轉化潛力。  

 

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總結：本研究通過理性設計線粒體靶向藥物HYL001，揭示了Gln代謝在CSCs維持中的核心作用，為克服腫瘤耐藥提供了新策略。丹麥Unisense微電極技術為線粒體代謝研究提供了高靈敏度工具，直接證實了HYL001對OXPHOS的抑制，深化了對代謝靶向治療機制的理解。