이 프로토콜은 이러한 화합물의 전임상 스크리닝에 사용할 수 있는 광전환 가능한 항암 펩타이드의 평가를 위해 채택된 일련의 실험을 제시합니다. 여기에는 2D 및 3D 세포 배양에서의 세포 독성 평가, 생체 외 (모델 조직) 광이성질화 효율 평가 및 생체 내 효능이 포함됩니다.
광제어 생물학적 활성 화합물은 “스마트” 약물 후보의 새로운 부류입니다. 그들은 양성이고 이온화할 수 없는 빛을 환자의 신체 내 특정 위치로 향하게 함으로써 정확한 시공간 활성화로 인해 전신 화학 요법에서 추가적인 안전성을 제공합니다. 이 논문은 약물 개발 초기 단계에서 생체 내 효능뿐만 아니라 광제어 생물학적 활성 화합물의 광활성화에 대한 시험관 내 효능 및 생체 외 효율성을 평가하는 일련의 방법을 제시합니다. 상기 방법론은 항암 세포독성 펩타이드, 즉 디아릴에텐 함유 유사체로 공지된 항생제인 그라미시딘 S에 적용된다. 실험은 면역 적격 마우스에서 암 세포주(Lewis lung carcinoma, LLC), 살아있는 조직 대리모(돼지고기 다진 고기) 및 동종이식 암 모델(피하 LLC)의 2D(부착 세포) 및 3D(스페로이드) 세포 배양을 사용하여 수행됩니다. 가장 효과적인 화합물의 선택과 사실적인 광치료 창의 추정은 자동 형광 현미경을 통해 수행됩니다. 다양한 조명 요법에서의 광활성화 효율은 모델 조직의 상이한 깊이에서 결정되고, 최적의 광량은 최종 치료적 생체 내 실험에 적용된다.
광조절된 생물학적 활성 화합물은 최근 수십 년 동안 인간 질병에 대한 안전한 화학 요법의 유망한 구성 요소로 등장했으며 특히 악성 고형 종양을 박멸합니다1. 이 화합물은 가역적으로 광이성질체화 가능한 단편(분자 광스위치)을 포함하며 다른 파장의 빛을 조사할 때 비활성 광이성질체와 활성 광이성질체 사이를 전환할 수 있습니다.
광제어 불가능한 유사체와 비교할 때, 광제어 약물은 덜 활동적이고 본질적으로 독성이 없는 형태로 환자의 신체에 전신적으로 도입될 수 있고 종양, 궤양 및 상처와 같이 필요한 경우에만 빛에 의해 활성화될 수 있기 때문에 더 안전할 수 있습니다. 이러한 분자 약물 프로토타입에 대한 여러 흥미로운 시연이 최근 학술 논문 2,3,4,5,6,7에서 찾을 수 있지만 승인된 약물/의료 기기/질병 조합의 응용인 임상 광약리학 분야는 존재하지 않습니다. 광약리학은 아직 신약 개발 단계에 있으며 체계적인 전임상 연구는 알려져 있지 않습니다.
우리는 매우 최근에야 일부 광제어 항암 펩티드, 즉 항생제 그라미시딘 S8의 유사체에 대한 생체 내 안전성 이점을 입증했습니다. 이러한 광제어 유도체는 디아릴에텐(DAE) 광스위치를 함유하고 있으며, 이는 소위 적색광으로 생성된 “개환형”과 UV로 생성된 “개폐형” 광형태 사이에서 가역적인 광유도 변환을 겪습니다(유도체 중 하나인 화합물 LMB002에 대해 그림 1에 설명됨).
그림 1: 광제어 세포독성 펩타이드 LMB002 및 광이성질체화. 디아릴에텐 단편은 빨간색으로 표시됩니다. 약어: DAE = 디아릴에텐. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
히트를 찾고 히트-투-리드 최적화를 수행하는 것은 종종 적절한 화합물 라이브러리 9,10의 시험관내 및 생체내 스크리닝을 필요로 한다. 여기에서 우리는 광제어 화합물의 세포독성에 대한 체계적인 고처리량 스크리닝에 적합한 방법론을 보여줍니다. 우리는 또한 광이성질화 효율을 결정하고, 모델 조직에서 광량을 추정하고, 가장 성능이 좋은 후보의 생체 내 효능을 평가합니다. 이 접근 방식은 생명 윤리 및 동물 관리 고려 사항을 준수합니다.
이 작업에서는 테스트 된 화합물의 제어되지 않은 광 이성질화를 피하기 위해 전통적인 전임상 방법을 수정합니다. 여기에 이러한 변형된 방법을 적용하는 전반적인 목표는 간단하고 빠르며 통계적으로 유의미한 데이터를 생성하여 시험관 내 활성을 안정적으로 비교하고 리드 식별 및 추가 개발을 위한 광전환 가능한 화합물의 생체 내 효능 테스트를 합리화하는 일반적인 전략을 개발하는 것입니다.
전략은 세 가지 연속 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계는 2차원(2D, 단층) 및 3차원(3D, 스페로이드) 세포 배양 및 컨포칼 고처리량 자동 형광 현미경을 사용하여 선택된 광제어 생물학적 활성 화합물의 활성 및 비활성 광형에 대한 연속 희석액에서IC50 (겉보기 50% 세포 생존율)을 측정하는 것입니다. 광선치료 윈도우를 두 포토폼 간의IC50 차이와 비교하여 가장 성능이 좋은 후보를 선택합니다. 자동화된 현미경 및 기타 세포독성 스크리닝 플랫폼(분석)에 의한 독성 평가에는 특별한 이점이 없습니다11; 보다 복잡한 세포-기반 종양 모델(12 )은 이 단계에서 용이하게 구현될 수 있다.
단계 1에서 선택된 화합물의 경우, 두 번째 단계는 조사된 시료 추출물의 UV 검출 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 사용하여 조직 대리모에서 덜 활성인 광형체의 광전환 효율을 정량화함으로써 조사된 조직 표면으로부터 깊이의 함수로서 조직 내부의 광전환 효율을 현실적으로 추정하는 것입니다. 생체 내에서 광 전환 효율을 연구 할 수 있지만 간단한 조직 대리모 인 다진 돼지 고기를 사용할 것을 제안합니다. 우리는 이 접근 방식의 타당성을 테스트했습니다. 우리는 생쥐 암 모델에서 생체 내에서 광전환 가능한 화합물의 전환을 측정하고 생쥐를 대상으로 한 이전 실험에서 측정된 깊이에서 거의 동일한 광전환을 관찰했습니다8. 임의의 적합한 대안적 인공 조직(13), 3D 바이오프린팅된 조직/기관(14), 생검 물질, 또는 다른 면제 동물 물질이 사용될 수 있다. 그러나 이 설정은 경제적이고 빠르며 윤리적이기 때문에 좋은 절충안입니다.
세 번째 단계는 쥐암 모델에서 생체 내 항암 효능을 결정하는 것입니다. 시험 관내 실험에서 우수한 특성을 나타내고 모델 조직에서 적어도 1-1.5 cm의 깊이에서 효율적으로 광전환시키는 화합물이 본 실험을 위해 선택된다.
이 프로토콜은 광형(또는 광정지 상태, PSS)이 합리적인 시간(며칠 이상) 동안 안정적인 경우 다양한 유형의 광스위치를 소유하는 화합물에 적용할 수 있습니다. 예시를 위해, 앞서 기술한 DAE 유래 LMB002가 사용된다(15). LMB002 포토폼은 열적으로 안정적이며 -20°C에서 최소 1년 동안 상당한 성능 저하 없이 보관할 수 있습니다. 루이스 폐암(LLC) 세포는 시험관내 및 생체내 시연을 위해 선택되지만, 세포 유형에 대한 제한은 없습니다. LLC 세포는 부착성이고, 3D로 용이하게 배양가능하고, 종양을 생성하는데 사용된다 (참고문헌16에 기재된 바와 같이). 생체 내 LLC 세포는 전이 과정을 모델링하는 데 사용되며 피하 주사 후 면역 적격 마우스에서 고형 종양을 쉽게 생성할 수 있습니다. 이러한 생체 내 방법론은 다른 암 모델에도 보편적으로 적용될 수 있다17,18. 이 전략의 자세한 구현은 아래에 설명되어 있습니다.
광제어 화합물은 약물 개발에서 전례가 없습니다. 그러나 전임상 및 임상 평가를 위한 방법은 확립되지 않았습니다. 가장 가까운 단일 요법 유사체 인 광 역학 요법 (PDT)은 암에 대해 많은 국가에서 채택한 임상 사용을위한 치료 방식이며 다른 적응증에 대해 개발 중입니다19,20. 광약리학과 유사하게, PDT는 또한 빛을 사용하여 생리 활성 물질(일중항 산소)을 활성화하는 것을 기반으로 합니다. 따라서 PDT의 전임상 및 임상 연구에 사용되는 일부 실험 방법을 광약리학에 채택할 수 있습니다. 예를 들어, 광원, 광 전달 접근법 및 의료 기기는 PDT에 대해 잘 개발되고 승인되었습니다. 그들은 광제어 약물의 평가에 직접 사용할 수 있습니다. 그러나 PDT와 광약리학은 서로 많은 차이점을 가지고 있다4, 이는 후자에 대한 구체적인 방법을 확립할 필요성을 정당화한다.
첫째, PDT(산소)의 비활성 물질은 항상 무독성 농도로 생체 조직에 존재합니다. 대조적으로, 활성화되지 않은 광제어 생물학적 활성 화합물은 잔류 활성 및 원치 않는 독성을 가질 수 있습니다. 따라서 이상적인 광약리학 약물은 투여된 형태에서 생물학적 활성을 최소화해야 하고 광생성 형태에서 매우 활성이어야 하며, “광치료 창”(21 )은 가능한 한 커야 합니다. 적중을 찾고 적중-리드 최적화를 수행하려면 이미 약물 개발의 초기 단계에 있는 적합한 화합물을 식별하고 비교적 큰 라이브러리를 스크리닝해야 합니다. 여기에서 우리는 효율적인 광전환 화합물을 식별하기 위해 자동화된 고처리량 공초점 형광 현미경을 제안했습니다.
선택된 세포 독성 평가 방법을 사용하면 PSS의 유지 또는 가시 광선에 민감한 광 이성질체의 안정성과 같은 가장 중요한 요구 사항을 쉽게 구현할 수 있습니다. 이는 구현 시 빛 노출이 최소화되기 때문입니다. 따라서 대체 방법을 선택하는 경우 자동화된 방법을 선호해야 합니다. 이 접근 방식은 신뢰할 수 있고 유익합니다. 이 단계에서 3D 세포 배양(스페로이드)을 사용하면 보다 현실적인 조직과 같은 미세 환경에서 치료에 대한 세포의 반응에 대한 전체적인 이해를 얻을 수 있습니다. 또한, 화합물의 작용 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력은 직접적인 방법으로 현미경을 사용하여 얻을 수 있습니다. 적절한 염색 프로토콜을 사용하는 컨포칼 형광 현미경을 사용하면 세포와 스페로이드의 형태를 시각적으로 평가할 수 있습니다. 세포 사멸 및 세포 내부의 변화에 대한 중요한 세부 사항도 감지할 수 있습니다.
둘째, 가벼운 적용은 가벼운 복용량의 신중한 선택이 필요합니다. PDT에서 가벼운 과다 복용은 조직에 매우 해롭다22. 광약리학적 요법은 과도한 광 조사 하에서 유리할 수 있다. 활성 물질의 상한은 비 활성화 물질의 투여 량 및 약물 동력학에 의해 정의된다. 그러나 가벼운 복용량은 여전히 광약리학에서 문제입니다. 조사 전력 밀도와 노출 시간이 치료 요구 사항보다 적지 않도록 주의해야 합니다. 원칙적으로, 활성화 물질의 생성은 생체 내에서 모니터링 될 수있다. 그러나, 생명윤리상의 이유로, 본 발명자들은 비활성 화합물15와 혼합된 모델 조직(신선한 다진 고기)을 사용한 실험을 제안하였다. 이 실험은 간단하며 다른 광원을 사용하도록 수정할 수 있습니다. 또한 광량에 대한 광물리학적 추정과 열 영향 측정에도 적용할 수 있습니다. 여기서, 모델 조직을 사용함으로써, 광 노출을 최소화할 수 있고, 예를 들어, 생체내 조건에서 보다 정확한 광전환 효율 결정과 비교하여, 항상 흥미롭게 고려할 수 있는 대안이다.
마지막으로, 시험관 내 독성 스크리닝에서 우수한 특성을 나타내고 모델 조직에서 최소 1-1.5cm 깊이에서 효율적으로 광전환되는 화합물은 비용이 많이 들고 힘들며 긴 생체 내 연구를 위해 선택될 수 있습니다. 이 프로토콜에서, 본 발명자들은 동종이식 암 모델을 생성하기 위해 시험관내 평가에서와 동일한 세포주 (LLC)를 사용하였다. 종양 성장 역학, 사망률 및 전이 횟수는 항암 효능을 평가하는 데 가장 적합한 매개변수입니다. 기존의 화학 요법과 비교하여 광 약리학 적 치료에는 빛이라는 추가 요소가 적용됩니다. 그러므로, 두 개의 대조 동물 그룹이 필요하다: 하나는 비히클만 수용하고 다른 하나는 비히클과 방사선 조사를 받는 것이다. 이 설정을 통해 측정된 매개변수에 대한 빛의 영향을 평가할 수 있습니다. 본 실험에서는 두 실험군의 동물에게 비활성 화합물을 투여하고, 한 실험군의 생쥐의 종양을 조사하였다. 조사 체계는 대조군과 치료군에서 동일했습니다. 실험의 주요 목적이 빛과 화합물 적용의 결합 효과를 입증하는 것이기 때문에 이 단계에서는 벤치마크 화학 요법과의 비교가 필요하지 않습니다. 그런 다음 이 효과를 나타내는 최고 성능의 화합물을 선택하여 생체 내 독성에 대한 추가 연구와 개발에 대한 중요한 결정을 내리기 위한 벤치마크와 비교할 수 있습니다. 기술적으로, 우리가 설명하는 생체 내 실험은 약동학 또는 약력학 연구, 예를 들어 이미 약물 리드로 선택된 화합물에 쉽게 적용될 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 PELICO (#690973) 및 ALISE (#101007256) 프로젝트를 통한 H2020-MSCA-RISE 프로그램의 EU 자금 지원을 인정합니다. 이 작업은 DFG-GRK 2039 (SA, TS 및 ASU), Helmholtz Society의 NACIP 프로그램 (SA 및 ASU) 및 BMBF의 VIP + (OB 및 ASU)의 지원을 받았습니다. 우리는 화합물 LMB002를 합성하고 정제하고 연구를 위해 화합물을 친절하게 제공한 Karlsruhe Institute of Technology의 Serhii Koniev 박사에게 감사드립니다. 저자는 또한 우크라이나에서 비디오를 촬영하고 편집한 Chupryna Maksym과 이 출판물을 실험적인 작업, 집필 및 촬영할 수 있게 해준 우크라이나의 모든 용감한 수비수들에게 감사드립니다.
Agilent 1100 Series capillary LC system | ALSI-Chrom (Agilent distributor) | – | |
ATCC CRL-1642, LL/2 (LLC1) Lewis lung carcinoma cell line | ECACC | 90020104 | |
C57BL/6NCrl mice, female, inbred | Charles River | Strain code: 027 | |
CelCulture, CO2 incubator | Esco Micro | CCL-170B | |
Corning Matrigel Basement membrane matrix | Merck | CLS354234 | |
Corning, 384- well spheroid microplates | Merck | CLS3830 | |
Fetal bovine serum | Merck | F7524 | |
Gibco, DPBS | Thermo Fisher Scientific | 21600044 | |
Gramicidin S | Lumobiotics | Custom synthesis | |
HyClone, DMEM/high glucose | Cytiva | SH30003.04 | |
IN Cell Analyzer 6500HS, imaging system | Cytiva | 29240358 | |
Invitrogen, Calcein AM | Thermo Fisher Scientific | C1430 | |
Isoflurane anesthesia machine | ASA | S/N ASA 1305 | |
L-glutamine, 200 mM solution | Merck | G7513 | |
LIKA-surgeon, diode surgery laser | Fotonika plus | – | |
LMB002 | Lumobiotics | Custom synthesis | |
Penicillin–Streptomycin, solution stabilized | Merck | P4333 | |
PhenoPlate, 96-well plates | PerkinElmer | 6055302 | |
Photometer PCE-LED 20 | PCE Instruments | PCE-LED 20 | |
Thermo Scientific, Hoechst 33342 | Thermo Fisher Scientific | 62249 | |
Thermo Scientific, Propidium iodide | Thermo Fisher Scientific | J66764-MC | |
Trypan blue, 0.4% solution | Merck | T8154 | |
Trypsin–EDTA, 10 x solution | Merck | T4174 | |
UltraCruz Cell culture flasks with vented caps, 75 cm2 | Santa Cruz Biotechnology | sc-200263 | |
UltraCruz, bottle top filters, PES, 0.22 μm | Santa Cruz Biotechnology | sc-360882 | |
Vydac 218TP, C18 HPLC column (4.6 mm × 250 mm, 5 µm) | Altmann Analytik (Avantor distributor) | GR5103827 |