腫瘤低氧微環境激活前藥研究進展

張海麗,楊靜,鄧大偉

(中國藥科大學 工學院,江蘇 南京 210000)

1 腫瘤低氧微環境

腫瘤微環境的代表因素是缺氧條件、活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平升高和pH值低[1-2]。氧氣在大部分實體瘤的生長過程中發揮非常重要的作用,它是線粒體呼吸產生能量的過程的最終受體。1953年,Gray等人發現,氧合良好的腫瘤細胞對放療的反應比缺氧細胞好[3]。腫瘤缺氧于1955年由Thomlinson等人在肺癌患者的腫瘤組織中首次提出,科學家們通過60多年的臨床和實驗證實,缺氧狀態是多種實體瘤中普遍存在的特點。因此,缺氧被認為是癌癥的標志之一[4]。多數腫瘤長至1～2 mm大小后,后續由于增殖需要建立自己的血管進行氧氣和養分供給,所以在快速生長的實體瘤中出現了紊亂有缺陷的脈管系統,并且成為絕大部分腫瘤低氧的主要原因,從而導致氧氣和營養供應的減弱。由于氧氣和營養的供應缺失,促進HIFs因子促進快速生長的實體瘤形成新的血管[5]。由于血管的改變和血液流動的混亂,腫瘤組織中心區域變成了低氧并逐漸形成一個氧分壓的漸變區域,在低氧條件下,腫瘤細胞可以通過基因突變使自己在惡劣的條件下能夠生存乃至進行生長[6]。而在腫瘤的低氧區域的細胞高表達各種生物還原酶,可以將氧化性的物質還原,以提高缺氧區域含氧量[7]。

缺氧微環境還是癌癥復發的關鍵因素,因為它具有調節細胞周期、防止細胞凋亡、干細胞維持和靜止以及選擇耐藥性非循環癌細胞等活性[8]。腫瘤缺氧會導致細胞去分化或者細胞周期停滯甚至靜止[9]。同時缺氧還可能刺激髓源性抑制細胞發育從而抑制T細胞,使腫瘤產生免疫抵抗[10]。癌癥轉移是患者癌癥復發和死亡的主要原因。原發性、繼發性腫瘤或轉移的形成受到多方面腫瘤-基質相互作用的極大影響,其中腫瘤微環境的基質成分可以影響癌細胞的行為。

2 低氧激活前藥

靶向癌癥治療的理想目標是以最小的副作用實現高腫瘤特異性,目前FDA批準了多個臨床化療藥物,包括多柔比星(DOX)、喜樹堿(CPT、CPT-11及其活性代謝物SN-38),吉西他濱、5-氟脫氧尿苷(FDU)、帕唑帕尼、帕諾比司他、順鉑、卡鉑和奧沙利鉑等[11-13]。傳統的藥物都通過比如抑制DNA復制,干擾RNA轉錄,阻斷細胞分裂和抑制拓撲異構酶,從而阻止細胞分裂和腫瘤生長。但是都無法區分正常地快速生長的細胞和異常的不可控制地增殖的腫瘤細胞。因此使藥物在腫瘤部位再發揮藥效成為了抗腫瘤藥物研發的一大熱點[14]。

前藥,也稱為前體藥物,是Adrien Albert 1958年在英國自然雜志上發表文章提出的概念[15]。前藥一般是無活性物質,被體內的酶或者其他活性物代謝轉化為活性物質從而發揮作用[16]。基于多數腫瘤的低氧微環境,低氧激活前藥為腫瘤特異性治療提供了可能性[17-18]。近幾十年有不計其數的人們都在研究低氧激活前藥,從剛開始發現了替拉帕明的缺氧細胞毒性開始,又陸續開發了不少低氧激活前藥,有一部分已經進入臨床驗證實驗。

目前前藥的激活主要有兩種方式,單電子和雙電子氧化還原酶都可以催化前藥的還原,選擇性取決于氧逆轉活化過程和/或氧化還原酶在腫瘤組織中的過表達的能力。最常見的方法是在還原代謝過程的早期產生前藥自由基(通常是單電子產物),該中間體能夠通過細胞中存在的分子氧反氧化為母體前藥和ROS[19]。在低氧環境下,母體前藥進一步還原/歧化或者斷裂,從而產生具有細胞毒性的物質[20]。第二種是某些情況下,前藥可能直接與代謝酶活性部位的分子氧競爭,這種情況下的前藥的激活是對氧氣不敏感的,選擇性很大程度上取決于腫瘤組織中酶水平[16]。目前將低氧激活前藥的活化限制在低氧細胞區域是通過兩種前藥激活方式之一實現的。

低氧激活前藥(Hypoxia-activated prodrugs,HAPs)設計主要包括三部分結構,分別是:(1)觸發基團;(2)連接子;(3)效應物[21]。觸發基團是決定前藥活化和缺氧選擇性的關鍵基團,這些觸發基團必須經過酶促還原(主要通過氧化還原酶)才能釋放或激活效應物。目前主要有五種不同的化學基團(硝基、醌、芳香族和脂肪族N-氧化物以及過渡金屬)(如圖1所示)被證明能在缺氧條件下酶促還原,是HAPs設計的關鍵[22]。效應物是指能夠在缺氧微環境中殺死細胞的毒性成分,這些通常是有效的DNA相互作用劑。連接子的主用是將效應物與觸發基團有效連接[21]。

3 硝基(雜)環化合物

硝基芳烴很容易被腫瘤低氧微環境高表達的硝基還原酶還原成相應的胺,隨后在NADH作用下,發生分子內重排和去除,釋放原藥[23]。長崎等提出了兩個新的HAP,他們將2-硝基咪唑通過酰胺鍵連接到阿霉素和 5-氟脫氧尿苷(化合物1和2),旨在防止在達到缺氧區域之前釋放藥物[24]。與母體藥物相比,這些HAP在缺氧區域的滲透率顯著提高。體外研究表明,這兩種前藥在MIA PaCa-2細胞系中都具有高度細胞毒性,特別是在缺氧條件下。對26只結腸荷瘤小鼠體內抗腫瘤活性的研究表明,相對于單獨使用阿霉素,荷瘤小鼠存活率有明顯提高。

4 醌

醌是在許多天然和合成化合物中發現的常見亞基,包括抗癌藥物、抗菌劑、染料、維生素 K 和輔助因子(托帕醌、吡咯醌)等[25-26]。醌可以經歷由各種還原酶介導的單電子還原,例如細胞色素還原酶(P-450R,CPR),NADH-細胞色素b5還原酶(CB5R)和NADPH:泛醌氧化還原酶(復合物I),從而形成半醌自由基。這些自由基陰離子可以與分子氧反應,從而產生ROS進而增加氧化應激。通常,常氧環境中會抑制半醌自由基陰離子的形成[27-29]。在缺氧環境中,半醌自由基可以進一步還原為對苯二酚,進而促進內部電子重排,導致共價鍵裂解和藥物釋放,發揮藥效。吲哚醌酮類化合物已被廣泛報道應用于低氧激活前藥的釋放,其中EO9(化合物3)已經進入三期臨床試驗[30]。

5 芳香族N-氧化物

N-氧化物替拉帕胺(TPZ;SR4233,化合物4)于1986年首次報道,在缺氧條件下對細胞的毒性比體外有氧條件高300倍[31]。TPZ首先經歷單電子還原以產生TPZ自由基;在沒有氧氣的情況下,TPZ自由基經歷自發轉化產生苯并三嗪基自由基,導致DNA斷裂和其他復雜病變[32-33]。當存在氧氣時,TPZ經歷徒勞的循環回到母體化合物,同時形成超氧化物。除了TPZ的單電子還原外,也報道了NQO1等酶的雙電子還原[34]。TPZ的雙電子還原對細胞具有生物保護作用,因為它繞過TPZ自由基的形成,產生了單N-氧化物,這是一種相對無毒的代謝物。TPZ在1990年代初進入臨床試驗,卻止步于三期臨床試驗。SN30000(化合物5)是TPZ的類似物,在TPZ的基礎上優化了在腫瘤部位的擴散和代謝特性[34]。能夠以更高的濃度到達腫瘤缺氧部位,目前計劃進入I期臨床試驗。

6 脂肪族N-氧化物

AQ4N(化合物6)是脂肪族N-氧化物類藥物中研究最廣泛的化合物,AQ4N能在還原環境中被還原產生具有雙胺結構的AQ4,這種雙胺是一種強拓撲異構酶II抑制劑,具有類似于米托蒽醌的DNA嵌入劑特性,AQ4對低氧細胞的細胞毒性是AQ4N的100倍。并且在Ⅰ期臨床研究中,在用作單一藥物或與放療/化療聯合使用時表現出非常明顯的抗腫瘤作用。雖然AQ4N的臨床研究終止在Ⅱ期臨床試驗,但還是有大批科學家對AQ4N進行結構改造,例如9-氨基吖啶,萘酰胺,蒽吡唑,氮雜蒽吡唑,和米托蒽醌等AQ4N結構類似物都已經被確定為有效的低氧激活前藥[35-37]。

7 過渡金屬絡合物

鉑(Ⅱ)金屬配合物是癌癥化療的重要藥物,其中順鉑和卡鉑是臨床上最重要的兩種抗腫瘤藥物,臨床上大約一半的接受化療的患者需要單獨或與其他藥物聯合使用其中一種復合物[38]。目前公認的作用機制是Pt(Ⅱ)復合物通過被細胞攝取后能夠與DNA結合來靶向快速增殖的細胞[39-41]。但它們存在多種局限性:(1)缺乏腫瘤選擇性;(2)高全身毒性;(3)多種耐藥機制(先天性和獲得性)和(4)活性譜狹窄[42]。順鉑的成功和局限性促使人們不斷尋找新型過渡金屬絡合物。與有機藥物相比,基于金屬的藥物具有鮮明的優勢,例如能夠調整其各自的幾何形狀,改變其配位數以及經歷氧化還原狀態的變化。并且可以使用過渡金屬的前藥來靶向低氧腫瘤。例如,一種Pt(Ⅳ)類似物沙特拉鉑[反式,順式,順式,順式雙(乙酸)胺環己胺二氯鉑(Ⅳ)](化合物7),被開發為口服給藥的抗癌鉑劑[43]。它能夠在血液中進行生物還原,產生六種不同的Pt(Ⅱ)[44]。在臨床研究中,沙特拉鉑比順鉑在幾種卵巢癌細胞系中顯示出更好的毒性。它還對順鉑耐藥癌細胞系41McisR和HX/155cisK表現出良好的藥物活性[45]。并且在ADJ/PC6荷瘤小鼠的體內實驗中,沙特拉鉑比順鉑和卡鉑的抗腫瘤性能有所提高。其他的金屬配位絡合物比如鈷、釕等過渡金屬的配合物也在陸續開發中[46-48]。

8 總結與展望

在過去的幾十年間,將腫瘤缺氧作為治療靶點已經是普遍手段。利用腫瘤缺氧來靶向腫瘤和選擇性釋放活性藥物,不僅是新的藥物研發策略,而且可以適當對癌癥治療方案進行改進。由于低氧激活前藥的激活途徑是低氧依賴性的,并且與氧濃度呈負相關,所以正常細胞在很大程度上可以免于藥物的殺傷。癌癥醫學的一個新興范例是使用定義的生物標志物進行個性化治療,識別和驗證低氧激活前藥將很好地服務于腫瘤的個性化治療,滿足臨床需要。