海洋來源的微管去穩(wěn)定劑抗腫瘤藥物研究進展

徐巍 劉任紅 楊金鵬 張新婉 徐秀麗

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院,北京 100083)

微管(microtubules，MTs)由微管蛋白(α-tubulin和β-tubulin)組成，通常由α和β微管蛋白以αβ-二聚體形式存在，二聚體以首尾順次相連的方式聚合形成微管蛋白原絲纖維，微管由13根微管蛋白原絲纖維螺旋盤繞形成[1-2]。微管蛋白是高動態(tài)聚合物，既可聚合也可解聚，微管動力學(xué)受到pH值、溫度、Mg2+和Ca2+等調(diào)節(jié)[3-4]。微管呈網(wǎng)狀或束狀廣泛分布于真核細胞中，是細胞骨架的重要成分，可與其他蛋白共同組裝成基粒、紡錘體、纖毛、中心粒、鞭毛、軸突等結(jié)構(gòu)，在維持細胞形態(tài)、細胞增殖、物質(zhì)運輸及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面起著關(guān)鍵作用，是抗腫瘤藥物篩選的重要作用靶點之一[5]。

腫瘤疾病是長期困擾人類健康的難題，尋找抗腫瘤藥物至關(guān)重要[6]。基于微管在細胞遷移、維持細胞形狀與極性、分隔細胞質(zhì)、細胞有絲分裂、紡錘體形成等方面的功能，已有部分微管靶向抗腫瘤藥物被批準用于癌癥治療，并已取得重要進展[7]。直接作用于微管蛋白的抗腫瘤藥物可分為兩大類：通過阻止微管蛋白聚合來影響微管組裝的藥物(如長春花堿和秋水仙堿類)，稱為微管去穩(wěn)定劑(microtubule destabilizing agent,MDA)；促進微管蛋白聚合的藥物(如discodermolide和紫杉醇類)，稱為微管穩(wěn)定劑(microtubule stabilizing agent,MSA)，二者最終都破壞微管組裝與去組裝之間的動態(tài)平衡，使腫瘤細胞的有絲分裂被抑制從而發(fā)揮抗腫瘤作用[8]。

海洋生態(tài)系統(tǒng)的高壓、高鹽、缺氧、低光照以及低溫等特點使海洋生物中次級代謝產(chǎn)物的化學(xué)多樣性非常豐富，獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)及高效特異的生物活性使得海洋天然產(chǎn)物成為潛在的抗腫瘤藥源[9]。海洋來源的微管穩(wěn)定劑主要包括作用于紫杉醇結(jié)合位點的大環(huán)內(nèi)酯類(-)-dictyostatin、zampanolide和dactylolide；多羥基內(nèi)酯類discodermolide；糖苷類eleutherobin；以及作用于非紫杉醇結(jié)合位點的大環(huán)內(nèi)酯類laulimalide和peloruside A，雜環(huán)生物堿類ceratamines A和B[10]。關(guān)于微管蛋白去穩(wěn)定劑抗腫瘤藥物研究很多，但很少有文獻進行系統(tǒng)總結(jié)。本文綜述了1972—2021年自海洋生物中分離鑒定的具有較好成藥性的微管穩(wěn)定劑抗腫瘤藥物，總結(jié)了活性化合物來源，臨床進展，構(gòu)效關(guān)系、和化學(xué)合成衍生物的研究。

1 Halichondrin B

1.1 化合物來源及藥理特性

Halichondrin B(圖1，1)是1986年自日本海洋海綿(Halichondria okadai)中分離得到的大型聚醚大環(huán)內(nèi)酯類化合物[11]。Halichondrin B可以抑制微管蛋白聚合，阻滯腫瘤細胞的有絲分裂，作為微管去穩(wěn)定劑破壞細胞有絲分裂從而抑制腫瘤細胞生長，并作為長春堿與微管蛋白結(jié)合的非競爭抑制劑。Halichondrin B具有較強的細胞毒性，美國國家癌癥研究所在60種人類腫瘤細胞系中篩選了該化合物的細胞毒性，在小鼠白血病細胞(L1210)模型中顯示出非常好的細胞毒活性，IC50值為0.3 nmol/L[12]。在免疫缺陷小鼠、大鼠的人類腫瘤異種移植模型中表現(xiàn)了對黑色素瘤和骨肉瘤的體內(nèi)活性[13]。

1.2 Halichondrin B的全合成及衍生物

Halichondrin B作為具有潛力的抗腫瘤藥物其全合成吸引了科研人員的興趣。1992年，Aicher等[14]首次完成了halichondrin B和norhalichondrin B(圖1，2)的全合成。之后不斷優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)片段的合成方案，在對全合成中間體進行體外細胞生長抑制評價時發(fā)現(xiàn)，halichondrin B的生物活性存在于其結(jié)構(gòu)右半部分，即C1-C38部分可能是其具有細胞毒性的關(guān)鍵[15-16]。Jackson等[17]于2009第二次報道了norhalichondrin B的全合成，其關(guān)鍵是利用了Achmatowicz氧化/離子加氫作用合成吡喃與串聯(lián)復(fù)分解反應(yīng)在吡喃合成中的應(yīng)用。Horita和Yonemitsu等[18]對halichondrin B合成過程中的中間體亞基組裝順序提供了可行性建議。Nicolaou等[19]于2021年對傳統(tǒng)的全合成方法進行改進，改變環(huán)醚結(jié)構(gòu)合成次序，在環(huán)醚和合成過程中先合成碳—氧鍵再合成碳—碳鍵，為halichondrin B的全合成提供了一條更簡單的合成路線。Halichondrin B結(jié)構(gòu)復(fù)雜且含量較低，但該化合物全合成的完成為結(jié)構(gòu)簡單的類似物的制備提供了基礎(chǔ)，合成的類似物保留著與母體化合物同樣的藥用潛力[20]。Halichondrin B的衍生物中，開發(fā)最成功是eribulin (E7389)(圖1，3)，該化合物由衛(wèi)材公司(Eisai)針對Kishi小組合成的halichondrin B衍生物進行改進而成，在人類腫瘤異種移植無胸腺裸鼠模型上表現(xiàn)了對多種腫瘤的體內(nèi)活性[21]。Eribulin在治療晚期轉(zhuǎn)移性乳腺癌的Ⅲ期臨床試驗中大大提高了患者的存活率[22-23]。2010年美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批準eribulin用于轉(zhuǎn)移性乳腺癌(metastatic breast cancer,MBC)患者的治療；2014年歐洲藥品管理局(European Medicines Agency,EMA)批準eribulin用于至少在一種化療后已取得進展的晚期轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者；2016年FDA批準eribulin用于轉(zhuǎn)移性脂肪瘤的治療[24-25]。

最近發(fā)現(xiàn)了另一種具有深入研究價值的halichondrin B衍生物。2019年Kawano小組在藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(Good Manufacturing Practice of Medical Products,GMP)條件下，以＞10 g的規(guī)模實現(xiàn)了氨基取代的衍生物C52-halichondrin-B amine(E7130)(圖1，4)的全合成，純度＞99.8%。與單克隆抗體西妥昔單抗(cetuximab)或者曲妥珠單抗(trastuzumab)具有協(xié)同作用，可改善腫瘤微環(huán)境從而提高藥物的治療效果[26]。

圖1 化合物1～4結(jié)構(gòu)式Fig.1 The structures of compounds 1～4

2 Plocabulin (PM060184)

2.1 化合物來源及藥理特性

Plocabulin(圖2，5)是2013年自馬達加斯加海域海綿(Lithoplocamia lithistoides)中分離得到的聚酮類微管去穩(wěn)定劑，可顯著抑制細胞的有絲分裂，其IC50為26.4 nmol/L[27]。Plocabulin以獨特的高親和力與αβ-微管蛋白二聚體結(jié)合，降低微管動力學(xué)并破壞腫瘤細胞微管和有絲分裂，從而抑制腫瘤細胞增殖[28]。在人類一組腫瘤異種移植模型中，plocabulin顯示出較強的抗腫瘤活性，同時在P-糖蛋白過表達產(chǎn)生耐藥性的腫瘤模型中也表現(xiàn)了很好的抗腫瘤活性。進一步研究表明plocabulin可使細胞分裂阻滯在前中期、誘導(dǎo)半胱天冬酶依賴的細胞凋亡，或者誘導(dǎo)微管網(wǎng)絡(luò)的混亂和碎片化來抑制有絲分裂[29]。Plocabulin還會影響內(nèi)皮細胞的遷移和侵襲能力，導(dǎo)致內(nèi)皮細胞形態(tài)的改變或者破壞血管源血管的形成[30]。Plocabulin對來源于直腸癌患者(colorectal cancer,CRC)的腫瘤類器官具有非常強的細胞毒性作用[31]。Elez等[32]在晚期實體瘤患者中對plocabulin進行了I期臨床研究，并評估了劑量限制性毒性(dose limiting toxicity,DLT)。在胃腸間質(zhì)瘤(gastrointestinal-stromal-tumor,GIST)小鼠的異種移植模型研究中發(fā)現(xiàn)，plocabulin可導(dǎo)致腫瘤組織中血管面積減少，具有顯著的體內(nèi)活性[33]。Plocabulin已啟動了Ⅲ期臨床試驗，以評估plocabulin與多烯紫杉醇(docetaxel)聯(lián)用針對晚期非小細胞肺癌(nonsmall-cell lung cancer,NSCLC)患者的療效[34]。

2.2 Plocabulin的化學(xué)合成及衍生物

Martín等[27]于2013年首次完成了plocabulin的全合成，針對plocabulin具有α,β-不飽和δ-內(nèi)酯、共軛三烯等結(jié)構(gòu)，通過斷開C10-C11鍵得到兩個結(jié)構(gòu)片段的收斂策略，經(jīng)歷33步完成了plocabulin的全合成。Wang等[35]于2021年通過去除脂肪鏈，對plocabulin的氨基甲酸酯基團、烯胺單元進一步修飾，設(shè)計了一系列類似物(圖2，6～9)并評價了細胞毒活性，結(jié)果表明沒有脂肪鏈的類似物仍具有強的細胞毒性，IC50值維持在nmol/L水平；但用羥基取代氨基甲酸酯基團時會導(dǎo)致其類似物活性顯著降低。

圖2 化合物5～9結(jié)構(gòu)式Fig.2 The structure of compound 5～9

3 Hemiasterlin

3.1 化合物來源及藥理特性

Hemiasterlin(圖3，10)是1994年自南非海綿(Hemiasterella minor)中分離得到的，對小鼠淋巴瘤細胞(P388)表現(xiàn)出較強的體外細胞毒性[36]。隨后在巴布亞新幾內(nèi)亞馬當海域海綿(Cymbastellasp.)中分離得到[37]，對P388的體外細胞毒性的IC50為87 pmol/L，該化合物在小鼠模型腹腔中注射具有很好的抗白血病活性[38]。Hemiasterlin具有相對簡單的三肽結(jié)構(gòu)和較強的體內(nèi)活性等優(yōu)點，作為微管去穩(wěn)定劑與微管蛋白結(jié)合，在較低濃度下通過抑制微管組裝進而抑制人乳腺癌細胞MCF7的有絲分裂[39]。

3.2 Hemiasterlin的化學(xué)合成及衍生物

Andersen等[40]于1997年首次完成了hemiasterlin的全合成，以期解決化合物供應(yīng)問題并為其他生物學(xué)評價提供材料。為了制備更有效的類似物，Andersen等對hemiasterlin進行了深入的分析，于2003年合成了一種比hemiasterlin活性更強的化合物SPA-110[41]，Wyeth公司隨后將SPA-110更名為taltobulin(圖3，11)[42-43]。Taltobulin可在微管蛋白亞基界面獨特的結(jié)合位點與α-微管蛋白結(jié)合[44-45]，在納摩爾濃度下可干擾紡錘體微管動力學(xué)，使腫瘤細胞停滯在G2/M期并誘導(dǎo)凋亡。Taltobulin在人腫瘤異種移植模型，如人結(jié)直腸腺癌細胞(HCT-15)、人結(jié)直腸腺癌上皮細胞(DLD-1)、人乳腺癌細胞(MX-1)、人口腔上皮癌細胞(KB-8-5)中表現(xiàn)出良好的抗腫瘤活性[42]。Taltobulin對紫杉醇耐藥的細胞系表現(xiàn)出強活性，且產(chǎn)生的抗藥性同紫杉醇與長春堿等微管去穩(wěn)定劑的機制不同，其與P-糖蛋白的相互作用較弱，在人異種腫瘤移植模型(包括高表達P-糖蛋白的腫瘤細胞)中具有出色的體內(nèi)活性[42,46]。Wyeth完成了HTI-286的I期臨床試驗，評估其在人體中的安全性、耐受性和藥代動力學(xué)并確定可接受的Ⅱ期臨床劑量，HTI-286作為非小細胞肺癌單藥治療的Ⅱ期臨床試驗因劑量限制性毒性等因素被叫停[38]。Kuznetsov等[47]于2009年通過在hemiasterlin的氨基末端引入含哌啶的氨基酸合成了一種新型類似物E7974(圖3，12)，其具有與taltobulin相當?shù)目褂薪z分裂活性。Hsu等[48]于2012年合成了新的hemiasterlin衍生物BF65(圖3，13)和BF78(圖3，14)，具有非常好的抑制微管蛋白聚合的活性，體內(nèi)外活性評價中與秋水仙堿位點的二苯乙烯微管蛋白抑制劑Stilbene 5c有很好的協(xié)同作用，在納摩爾范圍內(nèi)能有效誘導(dǎo)腫瘤細胞死亡。Thi等[49]于2014年報道了hemiasterlin類似物(圖3，15～18)的合成和細胞毒性，這些衍生物對人源口腔表皮癌細胞(KB)和肝癌細胞(Hep-G2)具有很強的細胞毒性。

圖3 化合物10～18結(jié)構(gòu)式Fig.3 The structures of compounds 10～18

4 Halimide (phenylahistin)

4.1 化合物來源及藥理特性

Halimide(圖4，19)是1998年Fenical等[50-51]自菲律賓海域綠藻(Halimeda copiosa)中分離得到的曲霉(Aspergillussp.)CNC139中分離到的一種小分子環(huán)二肽化合物，F(xiàn)ukumoto等[52-53]從陸生真菌焦曲霉(Aspergillus ustus)NSC-F038中也分離得到這個化合物并命名為phenylahistin。Phenylahistin由(+)和(-)兩種對映異構(gòu)體的混合物組成，早期研究表明，(-)-phenylahistin作為微管去穩(wěn)定劑在β-微管蛋白上的秋水仙素結(jié)合位點與微管蛋白結(jié)合抑制腫瘤細胞增殖，并使細胞周期阻滯在G2/M期[54]。(-)-phenylahistin在體內(nèi)顯示出對白血病細胞(P388)與Lewis肺癌細胞的抗腫瘤活性，其抗腫瘤活性顯著高于(+)-phenylahistin[55]。在對phenylahistin進行X-射線單晶分析中發(fā)現(xiàn)，二酮哌嗪和咪唑環(huán)氫鍵所形成的偽三環(huán)平面結(jié)構(gòu)對其抗微管活性起著重要的因素[56]。

4.2 Halimide的修飾和衍生物

由于手性對halimide活性有非常重要的影響，為了去掉手性中心并優(yōu)化該類化合物的生物活性，Nicholson等[57]于2006年合成了包括plinabulin(圖4，20)在內(nèi)的一系列類似物。Plinabulin可有效抑制多種腫瘤細胞系的增殖，并且在多種多藥耐藥(multidrug resistant,MDR)腫瘤細胞系中有很好的細胞毒性。Plinabulin不僅具有比秋水仙素和長春堿更強的血管破壞性，還是誘導(dǎo)樹突細胞成熟最有效的微管蛋白靶向劑之一，通過激活鳥嘌呤核苷酸交換因子(GEF-H1)促進樹突狀細胞成熟并釋放細胞因子[58]。為了驗證plinabulin在實體腫瘤或淋巴瘤患者的安全性、藥代動力學(xué)和藥效學(xué)，Mita等[59]首次完成了plinabulin的I期臨床試驗，結(jié)果表明該化合物具有較好的安全性。2012年在晚期非小細胞肺癌(NSCLC)患者中進行了plinabulin聯(lián)合多烯紫杉醇(taxol)的I期臨床試驗[60]。2015年，萬春醫(yī)藥公司(BeyondSpring Pharmaceuticals)啟動了plinabulin與多烯紫杉醇聯(lián)用治療非小細胞肺癌的Ⅲ期臨床試驗[61]。2020年在晚期非小細胞肺癌患者中進行了plinabulin與非格司亭(pegfilgrastim)療效與安全性比較的Ⅱ期臨床試驗[62]。2020年Tonra等[63]發(fā)現(xiàn)，化療引起的中性粒細胞減少癥(CIN)增加了癌癥患者感染和死亡的風(fēng)險，而plinabulin可改善微管穩(wěn)定劑多烯紫杉醇引起的中性粒細胞減少。Plinabulin作為一種有效微管去穩(wěn)定已進入Ⅲ期臨床試驗，但其水溶性低、副作用強，因此針對plinabulin的合成與結(jié)構(gòu)優(yōu)化愈發(fā)重要。Yakushiji等[64]于2012年通過對plinabulin水溶性結(jié)構(gòu)片段的優(yōu)化合成了一系列類似物(圖4，21～22)，發(fā)現(xiàn)增加水溶性部分碳鏈的長度可影響其水溶性與半衰期。Hayashi等[65]自2014年優(yōu)化了plinabulin的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種新型plinabulin類似物KPU-300(圖4，23)，其對人結(jié)腸癌細胞(HT-29)表現(xiàn)出較強的細胞毒性。2017年，Ding等[66]針對plinabulin臨床產(chǎn)生副作用的結(jié)果，合成了一系列的氘取代和氟取代的plinabulin類似物，在對人淋巴細胞白血病細胞(Jurkat T)評估中發(fā)現(xiàn)，富含氘的衍生物生物活性更強。為了開發(fā)更有效的抗微管和細胞毒性衍生物，Ding等[67]在2020年總結(jié)并分析了plinabulin衍生物的共晶體復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)新型呋喃-二酮哌嗪類衍生物可被視為開發(fā)抗癌藥物的潛在核心結(jié)構(gòu)。

圖4 化合物19～23結(jié)構(gòu)式Fig.4 The structures of compounds 19～23

5 Dolastatin 10

5.1 化合物來源及藥理特性

自1972—1987期間，Pettit等[68-69]自食藻軟體動物長尾背肛海兔(Dolabella auricularia)消化腺中分離得到18種線性縮肽結(jié)構(gòu)并命名為dolastatins 1-18，其中，dolastatin 10(圖5，24)被證明是最有效的抗腫瘤增殖的化合物。其在長春堿位點與β-微管蛋白的氨基酸殘基結(jié)合，抑制微管的形成、聚合，阻礙細胞的有絲分裂，使細胞停滯在細胞間期。同時是長春堿藥物的非競爭抑制劑，與作用于微管的藥物長春堿聯(lián)用起協(xié)同作用[70-71]。該化合物在納摩爾濃度下對多種腫瘤細胞系具有抑制活性，對L1210(小鼠白血病細胞)的IC50值為0.03 nmol/L[72]，對4種小細胞肺癌(small cell lung cancer,SCLC)細胞系(NCI-H69、NCI-H82、NCI-H446和NCI-H510)的IC50值為0.032～0.184 nmol/L[73]；人前列腺細胞(DU-145)的IC50值為0.5 nmol/L[74]，對非霍奇金淋巴瘤細胞同樣具有很強的抑制作用[75]。研究者通過化學(xué)合成制備了大量的dolastatin 10，為其進一步開發(fā)和臨床評價奠定了基礎(chǔ)。同時藥代動力學(xué)分析表明dolastatin 10藥物分布較快，血漿消除過程較慢，其濃度隨時間的變化與白細胞數(shù)目下降密切相關(guān)，I期臨床實驗結(jié)果表明該化合物具有很好的開發(fā)潛力[76-77]。自1990年以來，dolastatin 10先后進入I期Ⅱ期臨床試驗，但由于其會造成周圍神經(jīng)突變、骨髓抑制和靜脈炎等較強的副作用，dolastatin 10在Ⅱ期臨床中被迫終止[78]。

5.2 Dolastatin 10結(jié)構(gòu)修飾和衍生物

由于dolastatin 10的毒副作用，研究者們將目光轉(zhuǎn)向到dolastatin 10衍生物的合成上，這些衍生物主要針對N端(Dov)與C端(Doe)進行結(jié)構(gòu)修飾。Shnyder等[79]自2007年利用吡啶基團取代dolastatin 10的C端合成了衍生物auristatin PYE(圖5，25)，該化合物可以抑制微管蛋白的聚合，且在人結(jié)直腸腺癌上皮細胞(DLD-1)和人結(jié)腸癌細胞(COLO 205)模型中顯示出比dolastatin 10更強的生物活性。Miyazaki等[80]自1995年開始通過對dolastatin 10亞基的修飾合成了一系列比dolastatin 10活性更強的衍生物，并分析了各亞基對其功能的影響，如衍生物soblidotin (TZT-1027)(圖5，26)在小鼠纖維肉瘤(Meth A)和肺血管腫瘤(lung vascular-rich tumor)上表現(xiàn)出很好的體內(nèi)抗腫瘤活性[81-82]。

圖5 化合物24～26結(jié)構(gòu)式Fig.5 The structures of compounds 24～26

6 總結(jié)與展望

目前處于臨床應(yīng)用階段的微管去穩(wěn)定劑大多是從生物體內(nèi)中提取的天然提取物，但僅靠提取分離的方法并不滿足臨床等應(yīng)用需求，因此通過化學(xué)方法合成與修飾、簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)新型類似物是解決這一難題的途徑。研究表明微管靶向藥物的抗腫瘤效果優(yōu)于傳統(tǒng)抗腫瘤藥物，且具有較低的神經(jīng)毒性和血液毒性等不良反應(yīng)。適應(yīng)海洋低溫、高壓、高鹽、缺氧等極端環(huán)境的海洋生物，能產(chǎn)生大量化學(xué)結(jié)構(gòu)獨特、生物活性豐富的次級代謝產(chǎn)物，這為發(fā)現(xiàn)微管靶向抗腫瘤類藥物提供了新資源，促進了微管靶向藥物的發(fā)展。繼續(xù)研究微管去穩(wěn)定劑的作用機制、更高效的合成途徑、開發(fā)新的衍生物，從而開發(fā)新的治療策略以及為腫瘤患者提供更有效的治療手段將是未來的研究重點，微管靶向抗腫瘤藥物也將在未來的癌癥治療中得到越來越廣泛的應(yīng)用。