腫瘤治療之：靶向氨基酸代謝

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腫瘤細胞氨基酸代謝途徑的改變往往由多種信號通路和轉錄因子共同驅動。大量基礎及臨床試驗研究表明,靶向腫瘤依賴性氨基酸的代謝,發展新型藥物,可有效抑制腫瘤的生長。本文就為大家介紹靶向氨基酸代謝治療腫瘤的幾種途徑。

靶向精氨酸代謝途徑

精氨酸由瓜氨酸通過精氨琥珀酸合成酶1(ASS1)和精氨琥珀酸裂解酶(ASL)的兩步催化合成,然後精氨酸酶1(Arg1)將精氨酸分解成鳥氨酸和尿素。

通過Arg和鳥氨酸轉氨甲醯酶(OTC)將鳥氨酸轉化為瓜氨酸以在線粒體中再循環。其中ASS1、ASL或OTC的異常會影響細胞內精氨酸的儲存。在腫瘤中常見ASS1缺乏,導致腫瘤細胞獲取血清中的精氨酸。因此,血清中精氨酸的快速消耗可作為癌症治療的新策略。精氨酸脫亞胺酶(ADI)和Arg1等可以分別通過將精氨酸轉化為瓜氨酸和鳥氨酸來耗盡血清中的精氨酸,產生抗腫瘤活性。ADI和Arg1介導的抗腫瘤機制包括:誘導細胞周期停滯、細胞凋亡、自噬和抑制血管生成。

來源於支原體的ADI與聚乙二醇綴合得到ADI-PEG20,抗原性顯著降低且半衰期明顯提高。ADI-PEG20的抗腫瘤活性已在胰腺癌、前列腺癌、小細胞肺癌、淋巴瘤、頭頸癌、粘液纖維肉瘤、惡性黑色素瘤、膠質母細胞瘤和乳腺癌中得到證實。ADI-PEG20和重組的聚乙二醇化的人精氨酸酶(rhArg1-PEG)通過消耗血清中的精氨酸,使腫瘤細胞生長受到抑制,呈現抗腫瘤活性,抗腫瘤應用與作用機制被廣泛研究。

ADI在人體內的免疫原性會影響藥物效果,但ADI與其他抗腫瘤藥物組合可以改善治療功效。例如,ADI與地塞米松(DEX)的聯合用藥對T淋巴細胞白血病細胞以及抗DEX的白血病細胞有協同作用。在前列腺癌細胞中,多西紫杉醇和ADI-PEG20顯示出協同作用。另外,ADI-PEG20可增強培美曲塞在膀胱癌中的活性。ADI-PEG20和多柔比星在乳腺癌中的協同作用也被證實。除常規化療和放療外,ADI與細胞凋亡誘導劑TRAIL的聯合用藥也可協同促進惡性黑色素瘤細胞死亡。因此,靶向精氨酸代謝藥物與其他癌症治療方式聯合在腫瘤的有效治療上是有前景的。

靶向谷氨醯胺代謝

正常細胞可通過自身合成產生谷氨醯胺,但腫瘤細胞依靠自身合成的谷氨醯胺不能滿足其快速增殖的需要,需要通過膜上轉運體從胞外攝入谷氨醯胺或增強谷氨醯胺代謝通路中關鍵代謝酶的表達與活性,以維持細胞增殖的需要。

腫瘤細胞依靠細胞膜上的SLC(solute carrier)超家族轉運蛋白從細胞外環境中攝取谷氨醯胺。轉運谷氨醯胺進入細胞的關鍵轉運體SLC1A5、SLC7A5、SLC7A11以及SLC6A14在腫瘤細胞中發揮重要作用。其中轉運蛋白SLC6A4在結腸癌、宮頸癌、乳腺癌和胰腺癌中表達上調,在正常細胞中低水平表達,阻斷SLC6A14蛋白會影響腫瘤細胞內生物合成,而對正常細胞幾乎沒影響。Nicklin等發現,SLC1A5的抑制或缺失會導致腫瘤細胞內谷氨醯胺含量降低,mTOR信號通路不能被激活,最終腫瘤的生長受到抑制。

人體中有兩種穀氨醯胺酶的亞型:腎型谷氨醯胺酶(GLS1)和肝型谷氨醯胺酶(GLS2)。在淋巴瘤、神經膠質瘤、乳腺癌、胰腺癌、非小細胞肺癌和腎癌的腫瘤細胞中,用小分子抑製劑或基因敲除抑制廣泛表達的GLS1,產生抗腫瘤活性。在B淋巴瘤細胞和前列腺癌細胞中,高表達的致癌轉錄因子c-Myc可抑制miRNA-23a/b,上調GLS1的表達,增強谷氨醯胺代謝,促進腫瘤細胞的增殖。

在高度增殖的人乳腺腫瘤細胞中,轉氨酶高表達,且轉氨酶表達降低可有效抑制乳腺癌細胞的增殖。GDH可調節腫瘤細胞中α-酮戊二酸的產生,在肺癌和乳腺癌細胞中表達上調。在人肺癌H1299-異種移植腫瘤裸鼠中,GDH表達的降低可抑制異種移植模型中的腫瘤發生。谷氨醯胺代謝的中間產物參與信號轉導。谷氨酸的代謝型谷氨醯胺受體mGlu(metabotropic glutamate receptors)的失活抑制ERK和PI3K信號通路,促進細胞自噬,導致腫瘤細胞死亡。抑制谷氨醯胺代謝的中間產物對信號轉導通路的調節,有望治療癌症。

抑制關鍵酶阻斷谷氨醯胺代謝途徑

目前不少針對GLS的抑製劑,具有抗腫瘤活性。雙-2-(5-苯基乙醯氨基-1,2,4-噻二唑-2-基)乙基硫醚（BPTES）為選擇性的GLS1變構調節劑,在體外抑制谷氨醯胺依賴性癌細胞的增殖,並減緩移植性動物腫瘤和致癌因子c-Myc驅動的小鼠腫瘤的生長。

BPTES

CB-839

目前正在進行臨床Ⅰ期試驗的CB-839,與BPTES具有相似的變構結合機制和選擇性特徵,但表現出更強的抑制活性和獨特的動力學性質,是一種新型的GLS1變構抑製劑,具有良好的口服生物利用度。另外,CB-839在三陰性乳腺癌(TNBC)細胞系中具有抗增殖活性,在兩種異種移植性腫瘤中顯示出顯著的抗腫瘤活性。從FDA批准的藥物庫中鑒定出的小分子化合物紅紫素(purpurin),對純化的GDH1有顯著的抑制作用。對其優化後得到可進入細胞的紅紫素類似物R162是有效的靶向GDH1抑製劑,能夠提高癌細胞中的活性氧簇(ROS)水平,抑制異種移植性肺腫瘤的生長。

抑制谷氨醯胺的攝入

谷氨醯胺依靠細胞膜上的轉運蛋白進入腫瘤細胞,抑制相關轉運蛋白的表達可阻斷谷氨醯胺的攝入,使腫瘤細胞缺乏能源物質,最終死亡。2012年,Oppedisano等鑒定了第一個結構中不含氨基酸片段的小分子化合物，可抑制谷氨醯胺的攝入。Schulte等人開發出首個強效靶向轉運蛋白ACST2的小分子抑製劑——V-9302，並證實V-9302能夠阻斷ACST2蛋白的表達，從而導致癌細胞擴增減少、氧化損傷增加並最終引發死亡。且在體外和體內均呈現抗腫瘤作用。

最新研究發現,在骨肉瘤細胞和乳腺癌細胞中觀察到,V-9302不抑制轉運蛋白ASCT2,而是阻斷鈉中性氨基酸轉運蛋白2(SNAT2)和大的中性轉運蛋白1(LAT1),發揮抗腫瘤作用,並且在非洲爪蟾卵母細胞中重組表達SNAT1、SNAT2、ASCT2和LAT1得到確認。

V-9302靶向谷氨醯胺轉運體的模型

靶向絲氨酸代謝

靶向絲氨醯胺代謝與調控途徑絲氨酸從頭合成途徑(SSP)的改變是癌細胞中常見的現象。從糖酵解的中間代謝產物3-磷酸甘油酸(3-PG)開始,經過涉及3-磷酸甘油酸脫氫酶(PHGDH)、磷酸絲氨酸氨基轉移酶(PSAT)1和磷酸絲氨酸磷酸酶(PSPH)調控的3個酶促反應產生絲氨酸。SSP中酶表達的升高是癌細胞在絲氨酸飢餓環境能夠存活的因素之一。

PHGDH在三陰性乳腺癌和黑色素瘤細胞中的表達明顯升高,且抑制PHGDH的表達能夠導致腫瘤細胞的增殖率顯著下降。PHGDH和PSAT1在非小細胞肺癌中激活,參與腫瘤的發生髮展。另外,在高轉移性乳腺癌細胞系亞型中PSAT1和PSPH高表達。絲氨酸為非必需氨基酸,抑制絲氨酸的從頭合成,可能引起腫瘤細胞的耐受。

尋求外源性絲氨酸代謝中關鍵酶的抑製劑,為腫瘤治療的新方向。外源的絲氨酸通過絲氨酸羥甲基轉移酶(SHMT1或SHMT2)轉化為甘氨酸,提供一個碳單元參與一碳循環,用於核苷酸生物合成。

在易患致癌因子Myc驅動的B細胞淋巴瘤的轉基因小鼠中觀察到SHMT1和SHMT2水平增加。SHMT2是人類腫瘤中最常表達的「代謝基因」之一,敲除SHMT2嚴重損害癌細胞的增殖。據報道,甘氨酸裂解系統(GCS)中的甘氨酸脫氫酶(GLDC)是非小細胞腫瘤中分離的腫瘤起始細胞中最上調的基因之一,抑制GLDC的異常激活可改善非小細胞肺癌患者的存活率。

目前,很多科研人員開始設計特異性的絲氨酸合成代謝的分子,實現對腫瘤的抑制。Pacold等使用高通量篩選鑒定了兩種不同的PHGDH小分子抑製劑,其均能抑制絲氨酸從頭合成,抑制癌細胞的生長。

靶向色氨酸代謝

靶向腫瘤細胞色氨醯胺代謝與調控途徑哺乳動物細胞中,L-色氨酸(Trp)主要通過「犬尿氨酸途徑」分解代謝,然後轉化為L-犬尿氨酸(Kyn)。犬尿氨酸途徑對Trp的分解代謝受3種不同的雙加氧酶控制:色氨酸2,3-雙加氧酶(TDO)、吲哚胺2,3-雙加氧酶1(IDO1)和吲哚胺2,3-雙加氧酶2(IDO2)。裂解產物N-甲醯基犬尿氨酸經酶促反應或自發水解成犬尿氨酸,IDO是催化「犬尿氨酸途徑」L-色氨酸分解代謝的限速酶,並在多種人源腫瘤中高表達。

化合物A

1967年,IDO1被首次分離得到,且其天然底物L色氨酸在高濃度下能夠抑制IDO1的活性,暗示色氨酸類似物可能具有抑制IDO1的活性。Incyte公司經過高通量篩選獲得化合物A,研究表明化合物A對IDO1具有明顯選擇抑制性。同時,該化合物具有良好的配體效率,經研究評價後發現可作為良好的先導化合物。該化合物經系列優化後得到羥基脒化合物可作為IDO1的選擇性抑製劑,促進T細胞、NK細胞的生長,抑制腫瘤細胞。在成功進行I期試驗後,目前正在其針對各種惡性腫瘤進行Ⅲ期臨床試驗。百時美施貴寶(BMS)宣布的一種靶向IDO1抑製劑BMS-986205具有良好的葯代動力學性質,且能夠與其他免疫通路形成互補,更有效地激活抗腫瘤反應。目前,與PD-1抗體類藥物Nivolumab的聯合用藥正在進行用於治療黑色素瘤的臨床試驗。

靶向天冬醯胺代謝

哺乳動物細胞通過天冬醯胺合成酶(ASNS)從天冬氨酸和谷氨醯胺產生天冬醯胺。然而,一些癌細胞缺乏ASNS的表達,需要依賴血清中的天冬醯胺滿足需要。目前,第一個直接靶向天冬氨酸代謝的抗腫瘤藥物是來自大腸桿菌和歐洲野花歐文氏菌的L-天冬醯胺酶(L-ASPase),經FDA批准用於治療兒科和成人急性淋巴細胞白血病(ALL)。L-ASPase廣泛存在於微生物、植物和部分鋸齒類動物血清中,經微生物發酵法生產得到的酶抑製劑。目前，許多臨床試驗正在評估L-ASPase治療一系列惡性血液腫瘤的療效。

靶向氨基酸代謝的藥物作為個性化癌症治療的組分,已經從臨床前研究發展到臨床試驗, 並且在某些情況下顯示出功效。相信隨著分析代謝技術的進步, 研究者們將能夠精準地選擇合適的模型系統和識別目標患者, 並發現更多的靶向氨基酸代謝的新型癌症治療藥物。

來源：

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[6] 干預腫瘤代謝的新策略: 氨基酸代謝的調控途徑及其藥物研究進展

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