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一、选题意义和研究价值 结直肠癌是全球范围内高发恶性肿瘤之一,化疗在晚期患者治疗中占据重要地位,其中以奥沙利铂为基础的联合方案应用广泛[1]。然而,临床中约有50%的患者在接受治疗6~12个月内出现奥沙利铂耐药,导致治疗失败和预后恶化,因此探索耐药逆转新靶点及有效干预策略成为当前亟待解决的临床难题[2]。本研究拟以奥沙利铂耐药结直肠癌细胞系HCT116/L和HCT-8/L为模型,通过体外细胞实验与动物体内实验相结合,系统评价候选PTPN14抑制剂(包括前期筛选获得的特地唑胺)单用及与奥沙利铂联用对耐药细胞的增殖、迁移、侵袭、凋亡及克隆形成能力的影响,并进一步从分子水平探讨其调控PTPN14及相关信号通路的作用机制。本课题通过"老药新用"策略开发靶向PTPN14的特异性抑制剂,不仅为阐明PTPN14在结直肠癌中的机制提供实验依据,更为克服化疗耐药、推动结直肠癌靶向治疗提供具有高成药性的候选药物,对促进临床转化具有重要的理论价值和实践意义。 |
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二、国内外研究现状和发展动态 近年来研究表明,蛋白酪氨酸磷酸酶PTPN14在多种肿瘤中存在表达异常,其可通过调控Hippo/YAP信号通路[3]、Wnt/β-catenin信号通路[4-6],进一步影响肿瘤细胞的增殖、凋亡过程及耐药表型[6],为肿瘤靶点相关研究提供了重要方向。PTPN14靶点的抑制剂筛选研究已在多疾病领域取得进展。Bertagnin等[26]针对HPV E7癌蛋白与PTPN14的相互作用,通过基于结构的多阶段虚拟筛选,从约200万商业文库化合物中筛选出48个虚拟命中物,经生物学评价发现其在宫颈癌细胞中具有抗肿瘤活性,为宫颈癌靶向治疗提供了新候选化合物[27]。Yang等则发现Harmine可通过抑制PTPN14及YAP,减轻扰动流介导的内皮激活,从而缓解动脉粥样硬化,揭示了PTPN14在心血管疾病中的调控作用及抑制剂的潜在价值。此外,Zhang等虽聚焦PTPN1/2,但其将长链与中链脂肪酸双共轭到BimBH3肽上得到长效抑制剂的策略,也为PTPN14这类蛋白酪氨酸磷酸酶抑制剂的结构优化提供了借鉴思路,推动该领域抑制剂研发多样化发展[428]。在结直肠癌治疗领域,奥沙利铂耐药是临床治疗面临的关键难题,尽管当前针对其耐药机制的研究已取得一定进展,但仍有大量潜在调控靶点亟待挖掘与验证。作为蛋白酪氨酸磷酸酶家族的重要成员,PTPN14在肿瘤中呈现出促进或抑制的双重作用特征,然而其在结直肠癌,特别是奥沙利铂耐药结直肠癌细胞中的具体功能、调控的关键分子机制尚未明确[7];与此同时,针对PTPN14的特异性抑制剂开发仍处于探索阶段,该类抑制剂能否通过靶向PTPN14逆转结直肠癌细胞对奥沙利铂的耐药性,这一核心科学问题目前尚未得到明确解答,也为本次研究提供了重要切入点。 在PTPN14的肿瘤调控作用研究中,其功能具有组织特异性。研究表明,PTPN14在前列腺癌中可通过调控肿瘤微环境及细胞外基质相关的上皮间质转化过程发挥作用[7],在宫颈癌中作为HPV E7的降解靶点,表现为抑癌因子功能[10];而在胃癌中,PTPN14通过PI3K/AKT/mTOR通路促进肿瘤进展,miR-217可通过抑制PTPN14阻止胃癌上皮间质转化,提示其促癌作用[11],最新研究还发现非诺贝特可通过调控PTPN14/MARK/Hippo信号轴抑制肿瘤增殖[9]。 上述研究表明PTPN14在肿瘤中具有组织特异性功能,但其在结直肠癌奥沙利铂耐药中的作用仍属未知领域。在奥沙利铂耐药机制的研究领域,科学界已从肿瘤微环境、信号通路及表观遗传调控等多个维度展开了深入探索,并取得了系列突破性进展。具体而言,在肿瘤微环境层面,研究揭示了癌细胞与肿瘤相关成纤维细胞之间的动态互演是驱动耐药的关键因素之一;例如,一种靶向结直肠癌类器官与癌相关成纤维细胞的交联纳米递送系统,通过精准递药与微环境重编程,成功在临床前模型中逆转了奥沙利铂的耐药性,为利用生物材料技术克服耐药提供了新思路[14]。在信号通路方面,EGFR介导的MAPK通路以及FGFR1触发的PI3K/AKT通路的异常活化,被证实能够显著增强结直肠癌细胞的存活能力与DNA损伤修复,从而直接导致对奥沙利铂的敏感性下降,针对这些通路的抑制剂也因此被视为潜在的增敏策略[19,20]。表观遗传调控同样是研究的焦点,利用CRISPR/Cas9 sgRNA文库进行的高通量筛选[20],已成功鉴定出多个能显著影响奥沙利铂敏感性的表观遗传相关基因,极大地拓展了我们对耐药遗传背景的认识[22];而DNA甲基化转移酶抑制剂如5-氮杂-2′-脱氧胞苷,则被证明可通过下调DNA修复基因ERCC1并恢复错配修复基因hMLH1的表达,进而有效逆转耐药表型,展现了表观遗传药物在临床联合治疗中的巨大潜力[23]。PTPN14作为Hippo等关键信号通路的重要调控因子,其在细胞增殖、凋亡及细胞连接中的作用提示它极有可能在癌细胞应对化疗压力、调控DNA损伤应答以及介导药物外排等过程中扮演着尚未被察觉的关键角色[24,25]。因此,前瞻性地深入研究PTPN14在奥沙利铂耐药中的具体功能、分子机制,不仅有望揭示一个全新的耐药靶点,更可能为结直肠癌患者,特别是对于奥沙利铂治疗无效的群体,开辟一条全新的联合治疗与个体化精准医疗之路。 尽管已有研究从肿瘤微环境、信号通路和表观遗传等角度揭示了部分耐药机制,但临床仍缺乏有效的逆转策略。PTPN14作为蛋白酪氨酸磷酸酶家族成员,在多种肿瘤中呈现组织特异性功能,但其在结直肠癌奥沙利铂耐药中的作用尚不明确,相关抑制剂开发及逆转耐药研究仍属空白。基于此,本研究拟系统探讨PTPN14在奥沙利铂耐药结直肠癌中的功能与机制,并筛选其特异性抑制剂,评估其单用及与奥沙利铂联用对耐药细胞的逆转效果及相关信号通路调控作用,对肿瘤治疗领域产生积极影响,具有重要的理论意义和临床应用价值。 |
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三、主要研究思路、研究内容和在学术方面的创新点 1.研究思路 本研究围绕“PTPN14调控结直肠癌奥沙利铂耐药”,构建“抑制剂筛选-功能验证-机制解析”研究体系。(1)从PDB数据库获取PTPN14三维结构,经分子对接虚拟筛选化合物库,结合结合能、氢键等参数筛选针对PTPN14的特异性抑制剂。(2)以耐药细胞系为对象,体外通过CCK-8检测细胞增殖抑制率(明确协同作用),并经细胞划痕、Transwell、集落形成实验及流式细胞术,全面评估抑制剂对耐药细胞迁移、侵袭、克隆形成及凋亡的影响;同时开展体内动物实验验证药效。(3)采用Western blot检测PTPN14下游C-MYC、PI3K/AKT/mTOR通路关键蛋白(C-MYC、AKT、p-AKT、mTOR、p-mTOR)的表达变化,探究特异性抑制剂通过调控PTPN14及其下游通路逆转奥沙利铂耐药的分子机制,为结直肠癌奥沙利铂耐药干预提供新策略与理论依据。 2.研究内容 1.PTPN14抑制剂的虚拟筛选与候选化合物确定 1.1 PTPN14蛋白三维结构准备 从PDB数据库中获取PTPN14的X射线3D结构,PDB编号为:2BZL,并在Hermite软件中对蛋白质进行优化处理。 1.2 分子对接虚拟筛选 采用Hermite软件,对包含已上市药物的化合物库进行系统筛选,重点评估化合物与PTPN14活性位点的结合自由能、氢键相互作用、疏水作用等关键参数。 1.3 候选化合物成药性分析 对筛选得到的候选化合物特地唑胺进行系统的ADMET性质预测,评估其作为PTPN14抑制剂的成药潜力。 2.特地唑胺体外结直肠癌活性评价 2.1 细胞培养与药物处理 选用人耐奥沙利铂的结肠癌细胞系HCT-8/L、HCT116/L进行培养,设置不同浓度梯度的特地唑胺处理组,同时设立空白对照组、PBS对照组、奥沙利铂单药组及联合用药组。 2.2 细胞增殖抑制实验 通过CCK-8法检测各组细胞增殖活力,计算IC50值和CI值,评估特地唑胺单用及与奥沙利铂联用对结肠癌细胞增殖的抑制作用。 2.3 细胞迁移与侵袭实验 采用划痕实验检测细胞迁移能力,Transwell实验评估细胞侵袭能力,分析特地唑胺对结肠癌细胞转移潜能的影响。 2.4 细胞凋亡与周期检测 通过流式细胞术检测细胞凋亡率和周期分布,探讨特地唑胺诱导细胞凋亡及周期阻滞作用。3.体内抗肿瘤药效学评价 3.1 动物模型建立 建立裸鼠结肠癌皮下移植瘤模型,待肿瘤生长至适宜体积后进行随机分组。 3.2 体内药效学评价 设置溶剂对照组、特地唑胺单药组、奥沙利铂单药组及联合用药组,计算抑瘤率、定期测量肿瘤体积和小鼠体重,记录生存曲线。 3.3 体内安全性评价实验 过程中定期观察小鼠一般状态,记录体重变化,实验结束后取心、肝、脾、肺、肾等主要脏器进行病理学分析,初步评价药物的体内安全性。 4.作用机制初步研究 4.1蛋白表达水平检测 通过Western blotting技术检测特地唑胺处理后PTPN14下游信号通路关键蛋白的表达变化,重点关注C-MYC通路相关蛋白。 4.2 细胞免疫化学分析 通过免疫组化方法检测肿瘤组织中EMT相关标志蛋白的表达和定位变化,评估特地唑胺对上皮-间质转化过程的影响。 3.创新点 (1)靶点创新性 系统探究PTPN14在奥沙利铂耐药结直肠癌中的作用及机制,弥补了该靶点在结直肠癌耐药研究领域的空白,为耐药机制研究提供了新的关键靶点。 (2)药物应用创新性 将特地唑胺重新定位为PTPN14抑制剂用于结直肠癌奥沙利铂耐药逆转,突破了传统抑制剂开发的局限,为老药新用提供了新的研究方向。 |
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四、拟采取的研究方法和技术路线 1.研究方法 1.PTPN14抑制剂的虚拟筛选与候选化合物确定 1.1PTPN14蛋白三维结构准备 (1)结构获取:从RCSB PDB数据库(https://www.rcsb.org)下载PTPN14的X射线晶体结构,PDB编号为2BZL(分辨率1.9Å)。 (2)结构优化:使用Hermite软件处理:①剔除与活性口袋距离>5Å的冗余水分子(保留23个关键结合水)及硫酸根离子;②基于PROPKA3.1算法(pH=7.4)校正质子化状态;③采用AMBER14力场进行能量最小化),优化后保存为PDB格式。 1.2分子对接虚拟筛选 (1)化合物库:选用“FDA-Approved Drugs Library”(Pubchem数据库,含1688种上市药物)及“KEGG - drug groups”(Pubchem数据库,含5144种上市药物),预处理后保留1392个分子(剔除分子量>500Da、LogP>5、氢键供体>5或受体>10的分子)。 (2)对接参数:使用Hermite软件,以PTPN14活性口袋中心(坐标:X=83.37Å,Y=26.02Å,Z=31.15Å)为球心,设置19.96Å×18.58Å×17.69Å网格;半柔性对接,采用Vina评分函数。 (3)筛选标准:初筛结合自由能<-7.0kcal/mol;复筛要求与活性口袋形成≥2个氢键(键长<3.5Å),最终确定候选化合物特地唑胺。 1.3候选化合物成药性分析(ADMET) 使用SwissADME评价指标:①吸收:LogP、TPSA、人体肠道吸收率;②分布:血脑屏障穿透指数;③代谢:CYP450酶抑制潜力;④毒性:Ames试验致突变性、Acute实验安全性。 2.特地唑胺体外抗结肠癌活性评价 2.1细胞培养与药物处理
(3)药物配制:特地唑胺(MCE)用DMSO溶解为储备液(4℃避光),稀释为0.1、1、2、4、8、10、15、30μl/ml(DMSO终浓度<0.1%);奥沙利铂(MCE)用超纯水溶解为储备液,稀释至0.5、1、2、4、8、10、20、40、60、80μl/ml。 (4)分组:①空白对照组(仅培养基);②PBS对照组(等体积PBS);③奥沙利铂单药组(10个浓度);④特地唑胺单药组(10个浓度);⑤联合用药组(奥沙利铂+特地唑胺各浓度),每组3复孔,给药后孵育48h。 2.2细胞增殖抑制实验(CCK-8法)
检测步骤:给药后,每孔加10μlCCK-8试剂,避光孵育2h,酶标仪测450nm吸光度(OD值)。 (2)相关计算:抑制率(%)=(1-实验组OD值/空白对照组OD值)×100% 用GraphPadPrism9.0计算IC50(非线性回归方程);CompuSyn软件计算联合指数(CI): CI<0.9为协同,0.9≤CI≤1.1为相加,CI>1.1为拮抗。 2.3细胞迁移与侵袭实验
宽度:迁移率(%)=(0h划痕宽度-各时间点划痕宽度)/0h划痕宽度×100% (2)Transwell实验(侵袭):①迁移:上室接种2×10⁴个细胞(无基质胶),下室加含10%FBS的培养基;②侵袭:Matrigel基质胶1:8稀释后铺于上室,37℃孵育4h凝固,接种5×10⁴个细胞。上室加含药无血清培养基,下室加含10%FBS培养基,孵育24h(迁移)或48h(侵袭)。4%多聚甲醛固定30min,0.1%结晶紫染色20min,擦去未迁移/侵袭细胞,镜下计数5个视野平均值。 2.4细胞凋亡与周期检测(流式细胞术)
总凋亡率=早期凋亡率(AnnexinV⁺/PI⁻)+晚期凋亡率(AnnexinV⁺/PI⁺)
3.体内抗肿瘤药效学评价 3.1动物模型建立 (1)动物:4-6周龄SPF级BALB/cnude裸鼠,雌雄各半,体重18-22g,SPF级环境饲养(23±2℃,50±5%湿度),适应性饲养1周。 (2)造模与分组:HCT-8/L、HCT116/L细胞(1×10⁷个/mL)与Matrigel(1:1)混合,每只裸鼠右侧腋下皮下注射100μl。分组:肿瘤体积达100-150mm³时,随机分4组(每组6只),确保各组肿瘤体积、体重无差异(P>0.05),肿瘤体积公式:V=L×W²/2(L为长径,W为短径)。 3.2体内药效学评价 (1)分组与给药:①溶剂对照组(0.5%DMSO生理盐水,10mL/kg,灌胃);②特地唑胺单药组(50mg/kg,灌胃);③奥沙利铂单药组(10mg/kg,腹腔注射);④联合用药组(特地唑胺50mg/kg+奥沙利铂10mg/kg),每周给药3次,连续3周。 (2)观测:每周2次测体重及肿瘤体积,绘生长曲线;记录小鼠进食、活动度等。实验结束后剥取肿瘤称重,计算: 抑瘤率(%)=(对照组平均瘤重-实验组平均瘤重)/对照组平均瘤重×100% 3.3初步安全性评价实验
4.作用机制初步研究 4.1蛋白表达水平检测(Western blot) (1)样本制备:药物处理48h的细胞,预冷PBS洗涤3次,加含蛋白酶抑制剂和磷酸酶抑制剂的RIPA裂解液,冰上裂解30min,4℃、12000×g离心15min,取上清,BCA法定量蛋白。 (2)检测步骤:10%SDS-PAGE凝胶,30μg/孔上样,80V电泳至分离胶后转120V;湿转法(300mA,90min)转至PVDF膜(Millipore);5%脱脂奶粉室温封闭2h,孵育一抗(PTPN14、C-MYC、p-C-MYC、YAP、p-YAP均1:1000,GAPDH1:5000),4℃过夜;HRP标记二抗(1:5000)室温孵育1h;ECL显影,ImageJ分析灰度值比值(目的蛋白/GAPDH)。 4.2细胞免疫化学分析 (1)样本处理:肿瘤组织4%多甲醛固定24h,脱水、包埋,切片;脱蜡至水后,3%H₂O₂室温孵育10min,柠檬酸盐缓冲液(pH6.0)高压抗原修复10min,5%BSA室温封闭30min。 (2)染色与定量:滴加E-cadherin(1:200)、N-cadherin(1:200)一抗,4℃过夜;HRP二抗(1:500)室温30min,DAB显色,苏木素复染;Image-ProPlus6.0定量分析5个高倍视野(×400)的阳性面积占比及平均光密度(IOD/Area) |
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1.进度安排 2025.03-2025.08 深入研读PTPN14与奥沙利铂耐药相关文献,完善实验设计细节;利用Hermite软件对化合物库进行分子对接虚拟筛选;完成候选化合物特地唑胺的初步筛选和结合模式分析。 2025.09-2026.02 培养HCT-8/L和HCT116/L细胞系,优化细胞培养条件;进行CCK-8实验,摸索特地唑胺的有效浓度梯度,计算IC50和联合指数(CI值);开展划痕实验、Transwell实验评估迁移和侵袭能力;通过流式细胞术检测细胞凋亡率和周期分布。 2026.03-2026.08 建立BALB/c nude小鼠皮下移植瘤模型,验证模型成功率;实施给药方案(分4组:对照组、特地唑胺单药组、奥沙利铂单药组、联合组),定期测量肿瘤体积和体重;处死动物,采集肿瘤组织和主要脏器进行初步安全性评价 2026.09-2027.03 通过Western blot等技术检测PTPN14下游信号通路蛋白(如YAP、C-MYC)表达变化;整合所有实验数据,进行统计分析,绘制图表;开始撰写学位论文初稿。 2.预期成果 完成一篇硕士学位论文,力争发表1篇中文核心期刊论文(如《中国药学杂志》或《中国临床药理学杂志》),内容聚焦于特地唑胺的筛选和体外抗肿瘤活性评价。 |
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六、已有基础(与本项目有关的工作积累和已取得的成绩、已具备的条件、尚缺少的条件及解决途径) 1.已有成果 课题前期基于Hermit分子对接软件平台,完成PTPN14抑制剂的虚拟筛选,为后续实验奠定核心基础,具体过程与结果如下:①靶点蛋白准备:从RCSB PDB数据库获取PTPN14的X射线晶体结构(PDB ID:2BZL,分辨率1.9Å);使用Hermit软件对蛋白结构进行优化,包括剔除与活性口袋距离>5Å的冗余水分子(保留23个关键结合水)、基于PROPKA3.1算法(pH=7.4)校正质子化状态、采用AMBER14力场进行能量最小化,最终确定活性口袋核心区域(空间坐标:X=83.37Å,Y=26.02Å,Z=31.15Å)。②化合物库筛选:选取“FDA-Approved Drugs Library”(含1688种上市药物),经预处理(剔除分子量>500Da、LogP>5、氢键供体>5或受体>10的分子)后,得到1392个候选分子;通过Hermit软件开展半柔性分子对接,以结合自由能<-7.0kcal/mol且与活性口袋形成≥2个氢键(键长<3.5Å)为核心筛选标准。③候选化合物确定:最终筛选得到化合物X为PTPN14的潜在特异性抑制剂。对接结果显示(图1):化合物X与PTPN14活性口袋的结合自由能为-8.2kcal/mol;且通过氢键(如与活性口袋残基Asp¹²³、Tyr¹⁵⁶形成稳定氢键,键长分别为2.8Å、3.2Å)及疏水作用实现高效结合;进一步经SwissADME进行成药性(ADMET)预测,化合物X的人体肠道吸收率为68%,无CYP450酶(如CYP3A4、CYP2D6)显著抑制作用,Ames试验呈阴性,成药潜力良好。 2.具备条件 (1)实验平台 依托分子生物学实验中心,具备多维度实验硬件与软件支撑: 细胞操作平台:细胞培养室配备37℃、5%CO₂培养箱1台,可满足结直肠癌细胞系的常规培养、传代及药物处理; 分子检测平台:分子生物学实验室配备实时荧光定量PCR仪、Western blot电泳及化学发光显影系统,支持下游信号通路蛋白的表达与磷酸化水平分析; 细胞功能检测平台:细胞功能实验室含倒置显微镜、多功能酶标仪、流式细胞仪,可开展细胞增殖、迁移、侵袭、凋亡及周期等功能学实验; 虚拟筛选平台:实验室部署Hermit分子对接软件平台,具备靶点三维结构处理、大规模化合物库虚拟筛选及结合模式可视化分析能力,为PTPN14抑制剂的高效筛选提供技术支持。 (2)实验材料 细胞系:已购得奥沙利铂耐药结直肠癌细胞系HCT116/L、HCT-8/L及对应敏感细胞系,经STR基因型鉴定无误,可用于耐药表型相关实验; 试剂与药物:CCK-8细胞增殖检测试剂盒、Western blot相关一抗(PTPN14、C-MYC、AKT、p-AKT等)与二抗、流式细胞术凋亡/周期检测试剂盒等实验试剂已备齐;候选抑制剂化合物X标准品(纯度≥98%)、奥沙利铂标准品均通过正规渠道采购,可满足体内外药效学实验需求; 动物实验平台:依托学校实验动物中心,具备SPF级BALB/c裸鼠饲养条件(恒温23±2℃、恒湿50±5%的屏障环境),可开展皮下移植瘤模型构建、体内药效学评价及安全性分析。 3.存在问题及解决途径 (1)问题:特地唑胺作为PTPN14抑制剂的特异性有待进一步验证,可能存在对其他蛋白酪氨酸磷酸酶的交叉作用。 解决途径:通过体外酶活实验检测特地唑胺对PTPN1、PTPN2等同源家族成员的抑制活性,同时构建PTPN14过表达及敲除细胞模型,对比不同模型中特地唑胺的作用效果,明确其对PTPN14的特异性调控作用。 (2)问题:动物实验中裸鼠荷瘤模型构建成功率及肿瘤生长均一性可能存在差异,影响实验重复性。 解决途径:优化细胞接种密度(预实验确定5×10⁶个/只接种量的成瘤效果),接种时确保细胞悬液浓度均一;裸鼠适应性喂养期间每日监测体质量,选取体质量差异<5g的裸鼠进行实验;实验过程中每日观察肿瘤生长情况,定期测量并记录肿瘤体积,及时剔除异常生长的荷瘤裸鼠。 |
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七、主要参考文献 [1] 吴辉, 闫阳, 杨素. 腹腔镜结肠癌根治术、单切口腹腔镜结肠癌根治术治疗结直肠癌的近期获益比较[J]. 航空航天医学杂志, 2025, 36(10): 1162-1165. [2] 左婷婷, 王嘉琛, 李天一, 等. 1990-2021年中国与全球结直肠癌疾病负担及变化趋势分析[J]. 中华肿瘤防治杂志, 2025, 32(18): 1092-1098. [3] Liu Y, Cao X, Zhang T, et al. Fenofibrate-mediated inhibition of tumor proliferation and progression by modulating the PTPN14/MARK/Hippo signaling axis[J]. Pharmacological Research, 2025, 220: 107922. [4]Li W, Huang M, Wu Z, et al. mRNA-lipid nanoparticle-mediated restoration of PTPN14 exhibits antitumor effects by overcoming anoikis resistance in triple-negative breast cancer[J]. Advanced Science, 2024, 11(32): e2309988. [5] Hye-Yeoung Y, Wook M K, Seon H L, et al. Structural basis for recognition of the tumor suppressor protein PTPN14 by the oncoprotein E7 of human papillomavirus[J]. PLoS Biology, 2019, 17(7): e3000367. [6] Tiantian C, H E B, Joseph M, et al. miR-4516 predicts poor prognosis and functions as a novel oncogene via targeting PTPN14 in human glioblastoma[J]. 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