Camptothecin诱捕拓扑异构酶I，在驱动细胞凋亡多领域中的应用

▲ Camptothecin (T1123，CAS: 7689-03-4)的化学结构式

Camptothecin (T1123)，CAS: 7689-03-4 是来源于植物的生物碱，对DNA拓扑异构酶I（Topo I）具有高度特异性的抑制作用，Topo I抑制IC50为679 nM。其作用机理是“诱捕”Topo I–DNA可切割复合物：在Topo I进行DNA解超螺旋并形成瞬时切口后，Camptothecin阻断链再连接，使蛋白质连接的单链断裂持久存在。当复制叉或转录复合物与这些陷阱复合物相遇时，单链损伤转化为双链断裂，继而启动DNA损伤反应（γH2AX出现、ATM/ATR及CHK1/CHK2活化）并稳定p53，最终通过线粒体通路和半胱天冬酶级联引发凋亡，符合其在增殖细胞中显著诱导凋亡的特性[1,2]。

在拓扑异构酶信号通路层面，Camptothecin通过积累Topo I切割复合物，干扰DNA拓扑调控、复制叉动力学与转录延伸，从而将信号传导推向S期检查点与凋亡执行，为解析DNA拓扑、基因组监控与细胞命运耦合关系提供精确工具。其在研究模型中的抑制肿瘤细胞增殖并诱导凋亡的活性，源于这种S期偏向的DNA损伤与凋亡耦合。

作为ADC细胞毒载荷，Camptothecin的Topo I特异性有利于在抗体–药物偶联研究中实现对目标细胞的定向DNA损伤递送。在凋亡研究中，它是可靠的诱导物，可用于刻画γH2AX、CHK1/CHK2、p53稳定化、BCL-2家族调控与半胱天冬酶级联的时间顺序。由于Topo I“中毒”亦重塑转录，Camptothecin可用于探究DNA损伤网络中的microRNA调控，包括p53响应性miRNA对细胞周期、凋亡与修复精度的影响[2]。其被归入抗生素与抗真菌研究范畴，体现了利用DNA拓扑压力考察多类生物生长与生存以及微生物/真菌DNA损伤生物标志物的实验价值。在病毒学中，Camptothecin用于流感病毒研究，以检验宿主Topo I抑制对病毒基因表达与复制对宿主转录依赖性的干扰。

综上，Camptothecin是开展以下研究的基石试剂：解析Topo I催化与切割复合物稳定化；绘制复制叉崩塌至凋亡的DNA损伤信号轴；在体外建模抗肿瘤机制；设计并评估ADC载荷行为；以及在microRNA、抗菌/抗真菌与流感病毒通路中检验DNA拓扑与转录应激这一关键实验变量[1,2]。

▲ 通过胰岛素耐量试验（ITT，第15天）和葡萄糖耐量试验（GTT，第21天）证实，Camptothecin（CPT）可有效降低肥胖小鼠的血糖水平并改善其糖耐量。

Camptothecin (T1123) 经计算筛选被确定为可诱导GDF15的小分子。口服给予在饮食诱导性肥胖与ob/ob小鼠中提升循环GDF15水平，并通过激活整合性应激反应使肝脏的Gdf15表达占主导上升。与此一致，Camptothecin 抑制食物摄入，从而降低肥胖小鼠的体重、血糖与肝脏脂肪含量。在饮食诱导性肥胖小鼠中，Camptothecin 提高了对胰岛素刺激的反应并加快了葡萄糖清除，表明其改善了胰岛素敏感性与葡萄糖耐受。此外，研究观察到Camptothecin 处理后小鼠肌力和运动表现提升，包括握力增加与游泳时间延长。机制方面，Camptothecin 的降重效应依赖GDF15-GFRAL通路，且所诱导的GDF15主要来源于肝脏对ATF4与CHOP的激活。综合结果显示，Camptothecin 可改善肥胖，并降低高脂血症、脂肪肝与高血糖，研究同时指出其通过GDF15-GFRAL通路发挥作用。作者亦提出，当以每日口服1 mg kg−1的剂量应用时，Camptothecin 具有成为抗肥胖候选化合物的潜力。[3]

■ 2.2 Topoisomerase I activity and sensitivity to camptothecin in breast cancer-derived cells: a comparative study

▲ 通过REEAD法检测不同亚型乳腺癌细胞系核提取物中TOP1活性证实，Camptothecin（CPT）可浓度依赖性抑制TOP1催化活性，且该效应在HER2阳性及三阴性乳腺癌亚型中更为显著

Camptothecin (T1123) 通过增加TOP1-DNA切割复合物半衰期将DNA拓扑异构酶I转变为具有致DNA损伤能力的“毒化”酶，最终导致细胞死亡。其作用机理包括抑制TOP1催化循环中的再连接步骤，促使细胞内积累具有细胞毒性的TOP1-DNA切割复合物；该毒性作用具有S期特异性，源于复制机器与稳定化复合物的碰撞，从而引发DNA片段化并导致细胞死亡。在对多种乳腺癌细胞系的比较研究中，细胞增殖速度与Camptothecin反应之间呈显著总体相关性；当将细胞系按倍增时间分为生长较慢与较快两类时，发现分裂速度越快，对Camptothecin的敏感性越高。在分子分型层面，TNBC样细胞系表现出对Camptothecin最高的敏感性，并具有最快的生长速率。横跨Luminal、HER2与TNBC三大亚型，TOP1对Camptothecin的酶学易感性近似相同。在Luminal与HER2细胞系中，TOP1基因拷贝数与TOP1活性同Camptothecin细胞反应之间呈相关性，但该数据集在统计学检验方面有限。上述结果表明，Camptothecin的细胞效应与乳腺癌来源细胞的增殖动力学密切相关，并可通过生长速率及与TOP1相关的基因与酶活参数捕捉到亚型特异的敏感性模式。[4]

▲ 通过流式细胞术分析4T1荷瘤小鼠肿瘤组织中免疫细胞浸润情况证实，Camptothecin（CPT）可有效重塑肿瘤免疫微环境，表现为促进M1型巨噬细胞极化和CD8⁺T细胞浸润、降低M2/M1比值及MDSCs水平。

Camptothecin (T1123) 被明确为拓扑异构酶I抑制剂，与多柔比星联用时可使彼此产生交叉敏感并协同抑制肿瘤生长。研究显示，将Camptothecin与多柔比星联合能够产生协同效应，并在大幅降低给药剂量的同时转化为显著的肿瘤缩小。多种乳腺癌细胞系体外实验观察到该组合的比例依赖性协同作用。在MDA‑MB‑231细胞中，等摩尔比例的联合表现出高度协同，显著节省剂量，其中Camptothecin剂量可降低68%，同时多柔比星也大幅降低。该协同效应延伸至体内：在较低累积剂量下的多柔比星加Camptothecin即可诱导可测且显著的肿瘤缩小。在2 mg/kg多柔比星与1.2 mg/kg Camptothecin的给药下，60%的小鼠在研究期间达到完全清除肿瘤或维持无进展肿瘤负荷。免疫相关观察方面，与仅用Camptothecin相比，含多柔比星的方案（包括与Camptothecin的联合）显示树突状细胞数量显著更高，提示适应性免疫反应正在增强。作者据此认为，该药物联合建立了有利的抗肿瘤免疫反应。[5]

Camptothecin (T1123) 在非小细胞肺癌模型中被证实可调控自噬与细胞死亡相关通路。研究显示其可在H1299与H460细胞中诱导自噬，并在H1299细胞中以剂量依赖方式增加自噬体形成。基于细胞活力与Annexin V染色结果，Camptothecin 诱导的自噬可保护肺癌细胞免于程序性死亡。抑制自噬的3‑甲基腺嘌呤处理时，Camptothecin 的细胞毒性增强，且与Camptothecin 单用相比，凋亡显著升高。机制上，抑制Camptothecin 诱导的自噬可增强caspase‑9的活化，降低Bcl‑2蛋白水平并提高Bax/Bcl‑2比值，提示3‑甲基腺嘌呤提高了H1299细胞对凋亡的易感性。研究进一步指出，与3‑甲基腺嘌呤联用可显著提升Camptothecin 的敏感性，这一效应很可能源于抑制自噬并增强H1299细胞的凋亡反应。在DNA损伤方面，抑制Camptothecin 诱导的自噬可显著增加γH2AX灶形成，并增强Camptothecin 在肺癌细胞系中的DNA损伤水平。这些结果共同表明，Camptothecin 可在NSCLC细胞中诱导自噬，而该自噬具有细胞保护作用；当自噬被阻断时，Camptothecin 的细胞毒性、促凋亡效应与DNA损伤效应均得到增强。[6]

Camptothecin通过稳定拓扑异构酶I–DNA切割复合物，抑制DNA链的再连接，将单链断裂转化为复制过程中的双链断裂，从而激活经典DNA损伤反应，并最终通过线粒体和半胱天冬酶途径诱导细胞凋亡。文献报道其抗肿瘤活性与细胞增殖速率密切相关，且与多柔比星联用表现出显著协同效应，增强肿瘤抑制和免疫反应；此外，Camptothecin通过诱导GDF15改善肥胖症状，在肺癌中通过调节自噬影响细胞死亡敏感性。未来研究可聚焦于优化联合疗法以提升免疫原性，开发抗体偶联药物载荷的靶向递送，以及拓展在代谢疾病和病毒感染中基于DNA拓扑与转录压力机制的应用。

Q1: Camptothecin诱导细胞凋亡的主要机制是什么？

A1: Camptothecin通过稳定Topo I–DNA切割复合物，阻断DNA链再连接，将单链断裂转化为持续存在的断裂，复制叉与复合物碰撞时形成双链断裂，激活DNA损伤信号通路，最终通过线粒体和半胱天冬酶级联诱导凋亡。

Q2: Camptothecin在不同乳腺癌细胞亚型中的效力有何差异？

A2: Camptothecin的细胞效力与细胞增殖速度相关，生长最快的TNBC样细胞对其最敏感。TOP1酶活性在各亚型间相似，但细胞生长速率及TOP1基因和酶活参数有助于揭示亚型特异的敏感性模式。

Q3: 自噬调控如何影响Camptothecin在非小细胞肺癌细胞中的作用？

A3: Camptothecin诱导的自噬对肺癌细胞具有保护作用。抑制自噬（如用3-甲基腺嘌呤）可增强Camptothecin的细胞毒性和凋亡诱导效果，并增加DNA损伤，表明自噬抑制使细胞对Camptothecin更敏感。

[1] Hsiang YH, Hertzberg R, Hecht S, Liu LF. Camptothecin induces protein-linked DNA breaks in mammalian cells by trapping topoisomerase I cleavage complexes. J Biol Chem. 1985;260(27):14873-14878.

[2] Pommier Y. Topoisomerase I inhibitors: camptothecins and beyond. Nat Rev Cancer. 2006;6(10):789-802.

[3] Lu J, Zhu M, Xie B, Shi X, Liu H, Zhang R, et al.. Camptothecin effectively treats obesity in mice through GDF15 induction. PLOS Biology. 2022;20(2):e3001517.

[4] Tesauro C, Simonsen A, Andersen M, Petersen K, Kristoffersen E, Algreen L, et al.. Topoisomerase I activity and sensitivity to camptothecin in breast cancer-derived cells: a comparative study. BMC Cancer. 2019;19(1):.

[5] Pusuluri A, Krishnan V, Wu D, Shields C, Wang L, Mitragotri S. Role of synergy and immunostimulation in design of chemotherapy combinations: An analysis of doxorubicin and camptothecin. Bioengineering & Translational Medicine. 2019;4(2):.

[6] Chiu Y, Hsu S, Hsu H, Huang K, Liu W, Wu C, et al.. Human non‑small cell lung cancer cells can be sensitized to camptothecin by modulating autophagy. International Journal of Oncology. 2018;():.