信號轉導和轉錄激活因子3抑制劑的研究進展

伍 芮(綜述)，劉龍飛 (審校) （南華大學附屬南華醫院普外科，湖南衡陽 421002）

提 要：在正常的健康細胞中，信號轉導和轉錄激活因子3(STAT3)受到嚴格調節以維持瞬時活躍狀態來控制許多生物過程。然而，已經在許多不同的癌癥中觀察到異常或組成型活化的STAT3，并且已顯示組成型活化的STAT3與腫瘤發生、腫瘤進展甚至不良預后相關。該文從肽及擬肽類抑制劑、計算機虛擬技術發現的小分子和天然產物類等方面闡述STAT3抑制劑藥物發現的研究進展。

信號轉導和轉錄激活因子3(STAT3)的組成性激活在腫瘤發生和進展中具有關鍵性的位置，但尚未研究出可應用于臨床的STAT3抑制劑，期待STAT3抑制劑成為一種癌癥治療藥物仍需進一步的探索。本文從肽及擬肽類抑制劑、計算機虛擬技術發現的小分子和天然產物類等方面對STAT3抑制劑的藥物發現研究進展進行了綜述。

1 STAT3的介紹

1.1 STAT3的信號通路

STAT3具有信號轉導和轉錄活化雙重功能，是在正常組織中廣泛表達的轉錄因子，可通過細胞因子和生長因子介導JAK/ STAT信號通路來調節細胞內生物學行為[1-2]。STAT家族有7個成員(STAT 1、2、3、4、5a、5b、6)，STAT3是被研究得最多的成員之一，JAK家族也有JAK1、JAK2、JAK3、JAK4四個成員，STAT3發揮信號轉導通路主要通過JAK2/STAT3信號通路來完成[3]。細胞因子(如IL-6、IL-10、IL-11)和生長因子受體(如EGF、VEGF、FGF) 與相應受體結合，將轉錄信號傳遞至質膜，刺激這些受體導致它們的自身磷酸化，JAK的募集和激活[4]。受體和JAK上酪氨酸殘基的磷酸化通過與STAT3的SH2結構域結合而導致STAT3的募集。JAK然后磷酸化STAT3，導致其活化，二聚化和易位進入細胞核，在那里它控制各種基因的轉錄[5]。這些基因對許多正常細胞過程很重要，包括胚胎發育、細胞增殖、細胞分化、炎癥反應、抗凋亡、免疫和血管生成[6]。

1.2 STAT3的結構

STAT3蛋白主要含有6個不同功能結構域，包括氨基末端結構域(NTD)、DNA結合結構域(DBD)、卷曲螺旋結構域(CCD)、接頭結構域、SH2結構域和羧基末端反式激活結構域(TAD)。SH2區和DBD結構域因其在磷酸化轉錄激活中的重要作用而成為STAT3抑制劑常見的靶標[7]。

1.3 STAT3與癌癥

研究發現STAT3在許多類型的人類癌癥中被組成型激活，調節與許多癌癥類型中與癌癥進展和惡性程度相關的細胞周期、細胞存活和免疫應答相關的基因的表達，可抑制癌細胞的凋亡和促有絲分裂。異常活化的STAT3活性可增強腫瘤侵襲及抗癌藥物的抵抗，進一步促進癌癥發展擴散[8]。

2 STAT3抑制劑

STAT3既是多種腫瘤促進因子的轉錄調節因子，又是許多最常被激活的致癌途徑的匯聚點。鑒于其在腫瘤發生和發展中的關鍵作用，STAT3已成為癌癥治療的有吸引力的靶標[9]。

靶向STAT3蛋白是目前研究最多的途徑，主要有以下3種方法：抑制STAT3磷酸化、阻止功能性STAT3二聚體的形成和抑制核內的STAT3與DNA結合從而阻斷下游靶基因的轉錄。目前研究較多的抑制劑按類別可分為肽及擬肽類抑制劑、計算機虛擬技術發現的小分子和天然產物類。

2.1 肽及擬肽類STAT3抑制劑

首先，使用源自STAT3的具有PpYLKTK序列的磷酸肽來抑制STAT3的DNA結合活性，在羧基末端向該肽添加膜透化序列(AAVLLPVLLAAP)導致使用熒光素酶報告基因測定能夠抑制細胞中STAT3活性的肽，但不確定這種磷酸化肽在細胞或動物模型中的穩定性[10]。來自上述肽的至少3個氨基酸殘基PpYL才足以抑制STAT3，在對這種三肽進行修飾的后續研究中，新合成的肽模擬物例如ISS 610具有改善的活性。盡管ISS 610抑制STAT3的組成型活化和癌細胞生長，但因其高細胞毒性，ISS 610可能難以進行臨床開發。

XZH-5是另一種使用基于結構設計產生的肽模擬物，可在酪氨酸705和SH2結構域的側袋之間形成氫鍵。XZH-5具有細胞滲透性，可抑制多種癌細胞中STAT3磷酸化，DNA結合和STAT3靶基因表達下調[11]。雖然XZH-5比先前的肽模擬物具有更高的溶解度和選擇性，但它效力較低，細胞毒性不夠小。目前已鑒定出具有較低細胞毒性的IC50新類似物，XZH-5及其類似物在體外和基于細胞的研究中頗有成效，但尚未對這些模擬物進行形體體內測試。

DBD-1是一種小肽適體，可破壞STAT3-DNA結合，但不干擾STAT3磷酸化。然而，體內研究的結果顯示DBD-1與STAT3的DBD僅有微弱的相互作用[12]。

肽模擬物和適體是第一組靶向待研究的STAT3的抑制劑，但這類抑制劑存在許多挑戰，分子探針在體外測定時顯示對STAT3的低親和力，包括肽和寡核苷酸的分子探針可引起宿主免疫原性反應，加上其不確定的穩定性和遞送，這類抑制劑沒有一個能夠進入I期臨床試驗[13]。為了克服開發STAT3靶向生物藥物的這些挑戰，迫切需要新的方法來增加它們的親和力和可能的人源化。

2.2 計算機虛擬技術發現的小分子抑制劑

2.2.1 作用于SH2結構域的小分子抑制劑 Src同源性2(SH2)結構域是100個氨基酸模塊單元，其識別并結合其靶蛋白上的酪氨酰磷酸化肽序列，從而介導細胞內蛋白質-蛋白質相互作用，這種關鍵的分子相互作用已被用作直接抑制STAT3的小分子抑制劑的分子靶標[14]。

Stattic是通過含有少于17 000種化合物的各種化學文庫的高通量篩選(HTS)發現的。與STAT3的SH2結構域相互作用，選擇性地抑制STAT3活性、二聚化和核轉位，并導致癌細胞凋亡增加。Stattic也已經在幾種動物模型中進行了測試，這些模型顯示Stattic單獨使用可抑制腫瘤生長，并且當與放射和化學治療相結合時可增強抑癌效果[15]。雖然Stattic在動物實驗中有不錯的效果，但缺乏靶向選擇性。

以LLL12為起點合成片段可制備一種新的STAT3抑制劑LY5小分子，使用熒光偏振測定能確定LY5成功結合了SH2結構域，并選擇性抑制STAT3的組成型激活和核轉位及下游靶基因的表達。此外，LY5與順鉑或放射線的組合可提高神經管細胞瘤的治療效果[16]。總體而言，LY5的細胞毒性IC50(0.5～1.4 μmol/L)低于先前的SH2結構域抑制劑，并且已顯示出克服對各種抗癌劑抗性的希望。

計算對接和分子動力學模擬(MDS)的結果顯示，OPB-31121與STAT3的SH2結構域具有高親和力相互作用，通過體外結合測定和競爭實驗以及STAT3 SH2結構域中關鍵殘基的定點誘變證實了OPB-31121與SH2結構域中殘留的一系列殘基相互作用，獨特的高親和力特性使OPB-31121成為進一步發展的有希望的STAT3抑制劑候選者[17]。但來自晚期實體瘤患者的第一階段I研究的結果表明，口服給藥的藥物具有良好的耐受性并具有有利的毒性特征，但低生物利用度和不利的藥代動力學不利于其在臨床中的使用。

綜上所述，絕大多數STAT3抑制劑靶向SH2結構域，由于STAT3不能充分被抑制，靶向SH2結構域的成功率有限。這些抑制劑的另一個常見問題是它們的高細胞毒性，這進一步導致了SH2結構域可能難以靶向的現狀，將阻止它們進一步的臨床開發。

2.2.2 作用于DBD結構域的小分子抑制劑 化合物HO-3867選擇性地抑制STAT3磷酸化、轉錄和DNA結合，而不影響其他活性STAT的表達，在卵巢癌的治療中顯示出對復發的原發性卵巢癌細胞群的毒性，優異的口腔生物吸收和異種移植模型中的生物利用度，以及鉑抗性腫瘤的體內毒性。然而，許多化合物具有這些特性，使HO-3867與眾不同的創新之處在于其對癌細胞的選擇性毒性，對非癌細胞和組織表現出極小的毒性，同時在體外和體內均能保留正常細胞[18]。HO-3867在臨床前評估中顯示出巨大的希望。

有研究者在化合物InS3-54的基礎上，克服了其脫靶效應，鑒定出高特異性和藥理學性質的先導化合物InS3-54A18，InS3-54A18不僅直接與DBD結合，而且在體外和原位抑制STAT3的DNA結合活性但也有效抑制STAT3下游靶基因的組成型和白細胞介素-6刺激的表達，而且InS3-54A18完全溶于口服制劑，有效抑制肺異種移植腫瘤的生長和轉移，對動物幾乎沒有不良作用[19]。因此，S3-54A18可以作為STAT3的DBD抑制劑潛在候選者。

由于缺乏足夠的測定系統，STAT3 DNA結合結構域的靶向和STAT3與其DNA啟動子結合的破壞尚未得到徹底的檢查，可用于確認STAT3的DBD結合的分析范圍仍然很窄。

2.3 天然產物抑制劑

大量天然產物具有抗炎作用和抗腫瘤作用，可能是發現靶向其SH2結構域的潛在STAT3抑制劑的豐富資源。

姜黃素是一種天然存在的黃酮類化合物，具有多種抗腫瘤活性，也被證明可抑制STAT3信號傳導。然而，由于其低生物利用度和快速代謝，已經合成了兩種不同的姜黃素類似物(FLLL31、FLLL32)，在姜黃素中心的2個氫分別被甲基和螺環己基環取代，并具有3, 4-二甲氧基取代基，這有助于提高穩定性。FLLL31和FLLL32均在體外抑制STAT3磷酸化、DNA結合活性、集落形成和細胞侵襲以及誘導細胞的凋亡[20]。然而，FLLL31和FLLL32是否直接與SH2結構域結合需要進一步研究。芹菜素作為黃酮類天然產物，同樣被證明了可抑制STAT3信號通路，但其共同的缺點是靶向性低下。

JSI-124是一種植物天然產物，之前被鑒定為葫蘆素I，是從葫蘆科和十字花科等各種植物家族中分離出的葫蘆素類化合物的成員，JSI-124(葫蘆素I)對JAK/STAT3具有高度選擇性，有效抑制磷酸酪氨酸STAT3水平，抑制了STAT3 DNA結合和STAT3介導的基因轉錄[21]。JSI-124抑制具有高水平的組成型活化STAT3但不抑制具有低水平活化STAT3的那些腫瘤的生長，進一步證實了對STAT3信號傳導的干擾作為癌癥化學療法的合理方法。

白藜蘆醇是一種具有抗氧化和抗炎特性的天然植物抗毒素，可抑制Src酪氨酸激酶活性，從而阻斷惡性細胞中的組成型STAT3蛋白激活。白藜蘆醇抑制STAT3調節的細胞周期蛋白D1以及Bcl-xL和Mcl-1基因，研究結果顯示白藜蘆醇的抗腫瘤細胞活性部分是由于STAT3的阻斷而介導生長和存活途徑的失調[22]。

靛玉紅最初被鑒定為中草藥當歸隆回丸中的活性化合物，已被廣泛用作慢性髓性白血病的中藥治療藥物。動物模型研究顯示靛玉紅有顯著的抗腫瘤特性和相對低的毒性。靛玉紅衍生物(E804)可降低細胞中c-Src的酪氨酰磷酸化水平，并可抑制胰腺腫瘤細胞中組成型STAT3 DNA結合活性，STAT3 DNA結合活性的失活還導致抗細胞凋亡蛋白Mcl-1和存活蛋白的下調以及人胰腺腫瘤細胞凋亡的誘導[23]。因此，E804是Src- STAT3信號傳導途徑的有效抑制劑，并且具有作為上皮惡性腫瘤抗腫瘤治療劑的潛力。

大量針對STAT3各種靶位的抑制劑不僅具有抗炎作用和抗腫瘤作用，也具有低成本、可增加化學和放射治療敏感性的作用，最重要的是天然產物細胞毒性較低，可提高患者的生活質量。但溶解性差、生物利用度低和腫瘤非特異性也是導致STAT3天然抑制劑在臨床癌癥治療中應用延遲的主要原因。

3 小結

雖然不少研究結果已顯示許多STAT3抑制劑在體外具有抑癌效果，但它們大部分尚未進入臨床評價。小分子化合物抑制劑大多效果明顯，但細胞毒性較大且難以解決；天然產物抑制劑毒性作用小，可以提高患者的生活質量，但存在功效不足、難以靶向的弊端。具有高療效、低毒性的STAT3抑制劑仍是日后研究的方向。