分子靶向藥物PI3K抑制劑的研究進(jìn)展

金美花，孔德新

天津醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院 天津市臨床藥物關(guān)鍵技術(shù)重點實驗室、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中心，天津 300070

20世紀(jì)末期到21世紀(jì)初期分子靶向藥物的出現(xiàn)是抗癌藥物研究進(jìn)展的里程碑式的事件。分子靶向藥物是指作用于腫瘤細(xì)胞的特定分子靶點，對腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移等惡性生物學(xué)行為具有抑制作用從而產(chǎn)生抗腫瘤作用的藥物。這些分子靶點在腫瘤組織中特異性表達(dá)或者表達(dá)較高，而在正常組織不表達(dá)或表達(dá)較少。因此分子靶向藥物一般能夠選擇性地殺傷腫瘤細(xì)胞或抑制其生長增殖，而對正常細(xì)胞的毒性作用較小。

磷脂酰肌醇3-激酶 (phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K) 為一種由調(diào)節(jié)亞單位p85或p101和催化亞單位p110組成的脂激酶，通過催化磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,PIP2)磷酸化為磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate, PIP3)而激活下游的Akt等從而對細(xì)胞的增殖、生存和代謝等起關(guān)鍵作用。由于PI3K與癌癥等疾病的密切關(guān)系，以PI3K為靶標(biāo)的抑制劑的開發(fā)引起了國際制藥界的高度重視。本文首先簡單介紹PI3K的功能和分類，然后就PI3K抑制劑的研究進(jìn)展做一綜述。

1 PI3K的功能及與各種疾病的關(guān)系

PI3K是一個脂激酶家族，它們可催化PIP2磷酸化為PIP3而激活下游的Akt[1]。與PI3K的功能相反， 腫瘤抑制基因PTEN(phosphatase and tension homolog deleted on chromosome ten)使PIP3去磷酸化生成PIP2(圖1)。PI3K基因突變和擴(kuò)增在癌癥中頻繁發(fā)生[2]以及PTEN在癌癥中缺失等都提示PI3K與腫瘤發(fā)生的密切關(guān)系[3]。

圖1 PI3K和PTEN的功能示意圖Fig 1 Schematic representation of the functions of PI3K and PTEN

PI3K依其結(jié)構(gòu)和磷酸化底物的不同被分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種類型。I型PI3K是由一個調(diào)節(jié)亞單位p85和一個催化亞單位p110組成的二聚體，一般催化PIP2磷酸化而生成PIP3。Ⅱ型PI3K包含三個成員，分別為PI3KC2α、PI3KC2β和PI3K2?,它們一般磷酸化磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol, PI)和磷脂酰肌醇4-磷酸(phosphatidylinositol 4-phosphate,PIP)，其功能主要與膜運輸?shù)扔嘘P(guān)。Ⅲ型PI3K只有一個成員Vps34(vacuolar protein sorting 34)，它磷酸化PI生成磷脂酰肌醇3-磷酸。Vps34關(guān)于胞吞作用和囊泡運輸?shù)墓δ芤褟V為人知。近年來又有報道關(guān)于Vps34與自噬的關(guān)系：它對于自噬現(xiàn)象的發(fā)生是不可或缺的。由于迄今為止功能研究最多的是I型PI3K，因此人們通常所說的PI3K就是I型PI3K。另外，雷帕霉素靶體蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)和DNA依賴性蛋白激酶(DNA-dependent protein kinase, DNA-PK)等蛋白激酶結(jié)構(gòu)與p110相似，所以有時被分類為IV型PI3K。I型PI3K依它們的調(diào)節(jié)亞單位和上游調(diào)節(jié)分子的不同又分為IA和IB兩個亞類。IA亞類PI3K可被各種受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase, RTK)和Ras激活， 包括PI3Kα、PI3Kβ和PI3Kδ三個亞型，分別由各自的催化亞單位p110與調(diào)節(jié)亞單位p85組成。IB亞類PI3K?由催化亞基p110?和調(diào)節(jié)亞基p101或p84組成，它主要被G蛋白耦聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor, GPCR)激活。關(guān)于各種亞型PI3K的體內(nèi)分布，PI3Kα和PI3Kβ在各種器官均有表達(dá)，而PI3Kδ和PI3K?主要分布在骨髓細(xì)胞中。四種亞型的功能也有所不同，由于被報道的癌癥患者中PI3K基因的變異均為編碼p110α的基因PIK3CA的變異，因而PI3Kα被認(rèn)為在腫瘤發(fā)生中起著重要的作用。另外PI3Kα還與胰島素信號傳導(dǎo)和葡萄糖代謝有關(guān)。PI3Kβ亞型可激活血小板，因此在血栓性疾病的發(fā)展中起著重要的作用；此外，PI3Kβ近年來被報道在PTEN缺失的癌癥患者中起著比PI3Kα亞型還重要的作用。PI3Kδ和PI3K?與炎癥和免疫等有密切的關(guān)系[4,5]。

PI3K作為治療腫瘤的靶點引人注目，是因為它位于眾多重要信號通路的關(guān)鍵性的信號位置[4,5](圖2)。PI3K被RTK或Ras激活后催化PIP2生成PIP3。PIP3與Akt和3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶(3-phosphoinositide dependent protein kinase, PDK)等蛋白激酶結(jié)合，激活并將其募集到細(xì)胞膜。Akt除了直接被PIP3激活以外，還會被PDK和mTORC2(mTOR complex 2)所激活。Akt可通過抑制GSK3來穩(wěn)定細(xì)胞周期素D1(cyclin D1)的表達(dá)以及抑制FOXO調(diào)節(jié)的周期素依賴性蛋白激酶(cyclin dependent kinase, Cdk)抑制劑p27的轉(zhuǎn)錄而促進(jìn)細(xì)胞周期的進(jìn)行；Akt還通過抑制BAD (Bcl2-antagonist of cell death) 維持細(xì)胞生存；又可磷酸化mTORC1來促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成和細(xì)胞生長[6]； 還可通過mTORC1上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)而促進(jìn)血管生成[5]。但是mTORC1/S6K通路又負(fù)性調(diào)控胰島素受體底物(insulin receptor substrate, IRS)[5]，所以mTORC1的阻斷會激活上游蛋白如PI3K和Akt，從而減弱它們的抑制能力，這也是單純抑制mTOR靶點的缺點[5]。

圖2 PI3K/Akt信號通路在癌癥發(fā)生中的作用Fig 2 The PI3K/Akt pathway in tumorigenesis.

如上所述，PI3K在腫瘤發(fā)生中起著非常重要的作用，因此PI3K抑制劑作為抗腫瘤藥物的開發(fā)引起了制藥界的高度重視。

2 PI3K抑制劑的研究進(jìn)展

LY294002 和Wortmannin是兩種經(jīng)典的PI3K抑制劑，它們雖顯示了一定的體內(nèi)和體外抗腫瘤作用，但由于分別引起皮膚和肝臟毒性以及溶解度與穩(wěn)定性等原因, 未能進(jìn)入臨床試驗[5]。

2004年一篇發(fā)表在《Science》上關(guān)于PIK3CA變異在各種癌癥中被發(fā)現(xiàn)的報道[2]引起了廣大制藥界科研工作者的興趣，也打響了PI3K抑制劑開發(fā)競賽的發(fā)令槍。PI3K晶體結(jié)構(gòu)的闡明更加速了PI3K抑制劑的藥物設(shè)計和發(fā)現(xiàn)過程。此后，專一性更強的新型PI3K抑制劑不斷出現(xiàn)。這些抑制劑大體可分為PI3K亞型特異性抑制劑、泛PI3K抑制劑和PI3K/mTOR雙重抑制劑，見表1。

CAL-101(IC87114)是Calistoga公司開發(fā)的一種PI3Kδ特異性抑制劑, 其IC50為0.5 μM, 是PI3K? IC50的58倍，PI3Kα和PI3Kβ IC50的100多倍[5]。由于PI3Kδ在炎癥中的重要作用，最初關(guān)于CAL-101的藥理研究集中在其抗炎和治療自身免疫性疾病上。CAL-101顯示出了對炎癥和小鼠哮喘模型的治療效果。由于PI3Kδ主要在骨髓細(xì)胞中表達(dá)，CAL-101用于治療白血病的研究近幾年來受到重視。研究表明CAL-101可抑制急性骨髓性白血病細(xì)胞的增殖，同時并不影響正常造血細(xì)胞的增殖。此外，與mTOR抑制劑RAD001或拓?fù)洚悩?gòu)酶II抑制劑VP16聯(lián)合用藥，能夠顯著提高它們抑制白血病細(xì)胞增殖的效果[5]。CAL-101已進(jìn)入治療白血病的臨床Ⅱ期試驗。

NVP-BEZ235是Novartis公司開發(fā)的一種PI3K/mTOR雙重抑制劑。它抑制PI3Kα、β、δ和?的IC50分別為4、76、5和7nM[7]。在體外，NVP-BEZ235強力地抑制腫瘤細(xì)胞的增殖，且誘導(dǎo)G1期細(xì)胞周期阻滯[7]。口服給藥對PC-3M和U-87MG裸鼠移植瘤模型等顯示出良好的抗癌作用且沒有顯著的毒副作用。NVP-BEZ235針對乳腺癌、前列腺癌和腦腫瘤治療的臨床I/II期試驗正在進(jìn)行中。BKM-120是Novartis公司開發(fā)的另一個PI3K抑制劑，與NVP-BEZ235的雙重抑制PI3K和mTOR的性質(zhì)不同，BKM-120只對PI3K有抑制活性，是一種單純的泛PI3K抑制劑[8]。BKM-120已進(jìn)入臨床Ⅱ期試驗。

GDC-0941是Genentech公司開發(fā)的泛PI3K抑制劑。其對PI3Kα、β、δ和?的IC50分別為3、33、3和75nM，但對mTOR無明顯抑制作用[9]。口服用藥對多種裸鼠移植瘤模型顯示良好的抗癌作用。而且與多西他賽等聯(lián)合用藥，可明顯增強其療效。GDC-0980是該公司開發(fā)的另一種PI3K抑制劑，它與GDC-0941的區(qū)別在于對mTOR也有抑制作用，是一種PI3K/mTOR雙重抑制劑[8]。GDC-0941和GDC-0980均已進(jìn)入臨床I期試驗。

ZSTK474是由Zenyaku Kogyo公司和日本癌研究會合作開發(fā)的一種泛PI3K抑制劑。ZSTK474對PI3Kα、β、δ和?的IC50分別為16、44、5和49nM[10]。在體外ZSTK474可抑制39種人癌細(xì)胞系的細(xì)胞增殖，其GI50(達(dá)到50%增殖抑制所需的藥物濃度)為0.32 μM[11]。與多數(shù)其它PI3K抑制劑類似，可誘導(dǎo)各種腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞周期停滯在G1期，且沒有出現(xiàn)明顯的細(xì)胞凋亡。其阻滯細(xì)胞周期的機理可能歸因于cyclinD1的失活、p27表達(dá)增加和pRB的去磷酸化作用[8]。有研究者曾系統(tǒng)研究了ZSTK474的體內(nèi)和體外抗血管生成作用[12]。ZSTK474 可抑制腎癌細(xì)胞RXF-631L中HIF-1α的表達(dá)和VEGF的分泌，而且抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和體外小管形成(圖4A)。在體內(nèi)試驗中顯著抑制了RXF-631L裸鼠移植瘤小鼠腫瘤組織中的毛細(xì)血管數(shù)。ZSTK474口服用藥對多種裸鼠移植瘤模型顯示出良好的的抗腫瘤效果(圖4B)，現(xiàn)正在進(jìn)行臨床I期試驗評價[8]。

表1 臨床試驗中的主要PI3K抑制劑[5,7-14]Tab 1 Main PI3K inhibitors in clinical trials[5,7-14]

圖3 幾種PI3K抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig 3 The chemical structure of several PI3K inhibitors

3 討論

關(guān)于單純的PI3K抑制劑與PI3K/mTOR雙重抑制劑孰優(yōu)孰劣的問題一直是從事PI3K研發(fā)的制藥業(yè)界關(guān)心的問題。雖然有些研究報告的結(jié)論為后者優(yōu)于前者，理由是在所設(shè)計的一些體外試驗中后者的抗癌效果更好[15]，但這種結(jié)論尚需更多和更深入的實驗來證明。另外PI3K/mTOR雙重抑制劑常常也對DNA-PK有抑制作用[16]，這種抑制作用會否產(chǎn)生副作用？雖然動物試驗證實了兩種類型抑制劑均為安全的，但兩者在臨床試驗中的安全性是否有差異？這些問題還是需要臨床試驗的最終結(jié)果來解答。從我們介紹的進(jìn)入臨床試驗的PI3K抑制劑可以發(fā)現(xiàn)，幾個研發(fā)PI3K抑制劑的主要制藥公司，包括Novartis、Genentech和Exelixis，不約而同地將兩種類型的PI3K抑制劑都推向臨床試驗，恰恰是因為臨床前試驗的結(jié)果并不能充分證明哪一種類型更好。

A. 對血管內(nèi)皮細(xì)胞血管生成的抑制作用：對血管內(nèi)皮細(xì)胞HUVEC遷移和小管生成的抑制作用；B. 對裸鼠WiDr移植瘤模型的抗腫瘤作用A. Anti-angiogenic effect of ZSTK474 on endothelial cells: the inhibitory activities on HUVEC(human umbilical vein endothelial cells)migration and tube formation. B.In vivo antitumor efficacy of ZSTK474 on WiDr xenograft.圖 4 ZSTK474的體內(nèi)外抗腫瘤作用Fig 4 Antitumor activities of ZSTK474 in vitro and in vivo.

同樣一直在爭論的問題是泛PI3K抑制劑和PI3 Kα亞型特異性抑制劑孰優(yōu)孰劣的問題。因為只有編碼PI3Kα的基因被發(fā)現(xiàn)在癌癥中出現(xiàn)變異，出于泛PI3K抑制劑可能出現(xiàn)副作用的考慮，PI3Kα亞型特異性抑制劑的開發(fā)一直是一些制藥公司的目標(biāo)。但迄今為止進(jìn)入臨床試驗的PI3K抑制劑中尚沒有一個真正的PI3Kα特異性抑制劑。考慮到PI3Kβ等已被報道在PTEN缺失的癌癥中的作用比α亞型更重要，因此從抗癌效果的角度來考慮，理論上泛PI3K抑制劑比PI3Kα特異性抑制劑應(yīng)該更好一些，當(dāng)然這也需要臨床試驗的結(jié)果來證實。

除PI3K抑制劑單獨用藥外，與其它藥物或療法的聯(lián)合治療研究近年內(nèi)有很多報道。包括與細(xì)胞毒類藥物的聯(lián)合用藥、與其它分子靶向藥物的聯(lián)合用藥以及與放射線療法的聯(lián)合治療等。現(xiàn)在一般認(rèn)為PI3K抑制劑的主要抗腫瘤作用在于其抑制細(xì)胞的生長增殖而不是殺死癌細(xì)胞，所以與細(xì)胞毒類藥物或放療的聯(lián)合應(yīng)用理論上應(yīng)能增強其抗癌效果。最近的一篇論文報告了ZSTK474與放療的聯(lián)合治療，其效果比單獨應(yīng)用ZSTK474和單獨放療顯著提高，且未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的副作用[17]。這種與放療聯(lián)合治療的效果也經(jīng)NVP-BEZ235的研究得到證明。GDC-0941與細(xì)胞毒類藥物多西他賽的聯(lián)合應(yīng)用也收到較好效果[18]。近年來PI3K抑制劑與分子靶向藥物MEK抑制劑的聯(lián)合應(yīng)用也有很多報道，包括NVP-BEZ235和GDC-0941等PI3K抑制劑都表現(xiàn)出與MEK抑制劑協(xié)同作用的效果[19]。

現(xiàn)在一些PI3K抑制劑如NVP-BEZ235、XL-765和XL-147等的臨床I期試驗初步結(jié)果已經(jīng)發(fā)表，這些化合物的安全性基本上沒有問題。隨著臨床試驗的繼續(xù)深入，其單獨以及與其它藥物聯(lián)合用藥用于腫瘤治療的有效性將會被揭曉。讓我們一起期待新型分子靶向藥物PI3K抑制劑的誕生。

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