靶向胰島素樣生長因子系統抗腫瘤治療的研究進展

張靜，潘燕

胰島素樣生長因子（insulin-like growth factor，IGF）系統是由配體（IGF-1、IGF-2 和胰島素）、受體［Ι 型IGF 受體（IGF type 1 receptor，IGF-1R）、Ⅱ型IGF 受體（IGF type 2 receptor，IGF-2R）、 胰島素受體（insulin receptor，IR），以及IGF-1R 與IR 的雜合受體］、6 種高親和力IGF 結合蛋白（IGF binding proteins，IGFBPs）（IGFBP-1～6）［1］構成的可調節許多生理和病理生物學過程的網絡。IGF 系統在維持細胞生存與功能、誘導細胞增殖、分化和遷移等方面具有長期的作用，是人體生長發育不可或缺的一部分。多項流行病學研究發現，IGF 系統異常與惡行腫瘤發病率增加、預后不良等風險有關。該系統各組分表達水平與不同腫瘤類型的發生發展有關。例如，IGF-1 水平升高，IGFBP-3 水平降低或血液循環中IGF-1 與IGFBP-3 的比例升高會增加乳腺癌、前列腺癌、肺癌和結直腸癌等的發生風險［2-3］；在絕經前婦女中，血液循環中IGF-1 水平與患乳腺癌的風險呈正相關［4］；IR 高表達有可能促進乳腺癌、肝癌和膀胱癌等惡性腫瘤的發生和發展。在惡性腫瘤患者中，IGF 系統可通過與其他生長因子結合或與類固醇激素和整合素等相互作用而調節腫瘤細胞周期，發揮促進細胞增殖、侵襲、遷移以及抑制細胞凋亡等作用［5］。IGF 系統組分的表達水平變化是惡性腫瘤的一個重要風險因素，可能是新型抗腫瘤治療和（或）預防策略的潛在靶點。因此，本文對靶向IGF 系統治療腫瘤的研究進展進行綜述，以期為靶向IGF 系統的抗腫瘤藥物研究提供思路。

1 IGF 系統與腫瘤

1.1 IGF 配體

IGF 配 體 包 括IGF-1、IGF-2 和 胰 島 素。IGF-1 是一種在肝臟中產生的分泌蛋白，主要受生長激素（growth hormone，GH）調控［6］，其在兒童期的主要作用是促進細胞的生長、分化等，在成人期還參與細胞的增殖、存活和凋亡等［7］。此外，IGF-1還能夠調節體內葡萄糖穩態，具有胰島素樣作用。體內IGF-1 高表達會增加患乳腺癌、前列腺癌的風險［3-8］。IGF-2 是一種調節生長的關鍵蛋白，在人體骨骼肌系統中高水平表達。研究表明，IGF-2 表達水平升高會使得患結直腸癌的風險增加［9］。胰島素與IGF-1 具有高度同源性，其可在正常細胞和腫瘤細胞中發揮促進細胞增殖的作用［10］。

1.2 IGF 受體

IGF 受體包括IGF-1R、IGF-2R、IR， 以及IGF-1R 與IR 的雜合受體。在惡性腫瘤的治療中，IGF-1R 和IR 的作用研究較多，IGF-2R 則研究較少。IGF-1R 是一種跨膜蛋白，是受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）家族的主要成員之一，具有刺激細胞增殖、抑制細胞凋亡的作用［11］，在大多數組織中均有表達。研究發現，IGF-1R 高表達與乳腺癌、膽管癌、結腸腺癌、食道癌等疾病的發生發展密切相關［12］。IR 分為A 和B 2 種亞型，其中，IR-A 主要存在于胎兒細胞和腫瘤中，可介導有絲分裂；IR-B 主要存在于胰島素的靶組織中，負責經典的IR 代謝活動，調節體內血糖穩定［13-14］。

1.3 IGFBPs

IGFBPs 是一類多功能蛋白質，在調節細胞增殖、遷移、存活與自噬等生理功能方面發揮重要作用，在多種組織中廣泛表達［15］。IGFBPs 還可以通過隔離血清和細胞外液中的IGFs 而調節IGF 信號傳導，延長IGF 的半衰期，調節其生物利用度和活性［16］。

在血液循環中，IGFBPs 對IGF-1 和IGF-2均具有高親和力，但對胰島素沒有，因此，血液循環中約99%的配體會與IGFBPs 相結合，導致其與受體結合減少［17］。IGFBPs 家族成員已在多項研究中被證實可參與腫瘤的發展，并可能成為各種惡性腫瘤中有效的預后生物標志物［18］。IGFBP-3 是血清中含量最高的IGFBPs，其表達水平與肝癌、肺癌、乳腺癌、卵巢癌、大腸癌等多種惡性腫瘤的發生發展相關；IGFBP-6 在多組織中廣泛表達，是一種相對特異的IGF-2 抑制劑，在血管生成以及結直腸癌、卵巢癌的發生發展中具有重要作用。

1.4 IGF 系統的信號傳導途徑

IGF 系統主要通過IGF-1 等配體與IGF-1R等受體特異性結合，激活細胞內底物后進行信號傳遞，進而發揮促進腫瘤細胞增殖、抑制腫瘤細胞凋亡的作用。細胞內底物包括胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）和Src 同源性膠原蛋白（Src homology collagen，Shc），可進一步激活PI3K/AKT 和MAPK 2 種細胞內信號通路［19］。其中，PI3K/AKT 信號通路可促進腫瘤細胞增殖、轉移和血管生成［20］，在惡性腫瘤發展中起關鍵作用。該信號的過度激活在結直腸癌、乳腺癌等多種惡性腫瘤中均有報道［21］。MAPK 信號通路位于許多生長因子受體的下游，可被細胞因子、激素、氧化應激和內質網應激等多種刺激激活，進而調節細胞的增殖、分化和存活等，在結直腸癌等多種類型的惡性腫瘤中具有重要意義。

對于IGF 系統的初期研究多集中在IGF-1R的特定作用上［22］，隨著對該系統研究的日益深入，其在腫瘤中的作用已在多項研究中得到證實。除了IGF 系統本身失調與腫瘤密切相關以外，IGF 配體、受體及其信號傳導途徑與其他信號網絡的交互作用［23］也可對腫瘤細胞的增殖、分化、侵襲等功能產生影響。例如，IGF-2 可以激活甲狀腺細胞中的IR-A 并使其表達水平升高；IGF-2/IR-A 通過自分泌促進腫瘤細胞增殖并抑制其凋亡而誘導甲狀腺癌的發生［24］。Xu 等［25］發現，IGF-1 或IGF-2 的上調、IGF-1R 高表達以及PI3K/AKT 和MAPK 等信號通路中信號分子的激活可增加非小細胞肺癌發展和遷移的風險。Kim 等［26］研究發現，IGFBP-3 表達水平的降低對于IGF 活性和肺部腫瘤的形成和進展具有促進作用。

2 靶向IGF 系統抗腫瘤治療的研究進展及相關藥物

目前靶向IGF 系統進行抗腫瘤治療的靶點主要有以下4 種：靶向配體IGF-1 或IGF-2、靶向受體IGF-1R、靶向IGFBPs 以及靶向IGF-1R 下游信號通路。具體應用的藥物包括：靶向IGF-1 或IGF-2的單克隆抗體、阻斷GH-IGF-1 途徑的受體拮抗劑、靶向IGF-1R 的單克隆抗體或酪氨酸激酶抑制劑（tyrosine kinase inhibitors，TKIs） 或反義寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）、靶向PI3K/AKT 和MAPK 信號途徑或IGFBPs 的相關藥物等。

2.1 靶向IGF-1 或IGF-2 的單克隆抗體

靶向IGF-1 或IGF-2 的單克隆抗體可通過直接靶向IGF-1 或IGF-2 而阻斷其與IGF-1R、IR-A、IGF-1R 與IR 雜合受體的結合， 從而抑制腫瘤細胞增殖、促進細胞凋亡［27］；也可以通過阻斷IGF-1 或IGF-2 而抑制其觸發IGF-1R 和IR-A 信號傳導的能力。目前已開發、在研的靶向IGF-1 或IGF-2 單克隆抗體有dusigitumab 和xentuzumab（表1）。dusigitumab 與IGF-2 親和力強，xentuzumab 則與IGF-1 親和力更強。Dusigitumab 可 以 抑 制IGFs 誘 導 的IGF-1R和IR-A 激活，具有一定的抗腫瘤作用，但不影響胰島素信號傳導，因此不影響機體糖脂代謝水平［28］；臨床試驗研究顯示［29］，xentuzumab 在晚期實體瘤患者中顯示出一定的抗腫瘤活性，Ngo等［30］對xentuzumab 抑制IGF 信號通路的作用以及藥物對肝細胞癌生長的影響進行研究后發現，xentuzumab 可以抑制小鼠異種移植肝細胞癌的生長，提高小鼠存活率，具體機制與其抑制肝臟中IGF-1R 的磷酸化和AKT 的信號傳導有關。此外，相關研究還發現一種抗人IGF-1 和IGF-2 的單克隆抗體M708.5［31］（表1）。該抗體可以有效抑制IGF 誘導的IGF-1R 信號傳導以及抑制乳腺癌細胞中IGF-1R 和IR 的磷酸化，且該藥與吉非替尼聯用可增強吉非替尼的抗腫瘤療效。

表1 靶向IGF-1 或IGF-2 單克隆抗體的研究情況

2.2 阻斷GH-IGF-1 途徑的受體拮抗劑

GH 受生長激素釋放激素控制，主要由垂體前葉產生。垂體前葉分泌的GH 進入血液循環后，可以在肝內促進肝臟細胞合成分泌IGF-1，因此，GH 是IGF-1 的關鍵調節因子，在調節細胞增殖、分化、凋亡和血管生成中發揮重要作用。在肝臟中，GH 可刺激IGF-1 的產生，而IGF-1 又可以反過來調節GH 的釋放，兩者建立負反饋調節機制，當GH 缺乏時，會導致肝臟中IGF-1基因表達刺激減少，IGF-1 表達水平下降［32］。GH 分泌過多可能增加患惡性腫瘤的風險。例如，在乳腺癌中［33］，GH高表達可以促進細胞的增殖、存活、遷移和侵襲等，還可以增強乳腺癌干細胞的干性，增加耐藥性的發生風險，提示或許可以通過減少GH 的信號傳導降低這種風險［34］。目前，一種已在國外上市的GH受體拮抗劑培維索孟（pegvisomant）可以與天然的GH 競爭，與GH 受體結合，直接阻斷GH 的作用，使得IGF-1 合成減少［35］。Unterberger 等［36］研究發現，在構建的敲除PTEN基因的前列腺癌小鼠模型中，培維索孟可以阻斷GH 的信號傳遞，減少GH 對下丘腦的負反饋，使得GH 可以在前列腺癌細胞中直接對IGF-1 水平進行調節，最終使腫瘤細胞增殖減少、凋亡增加，有效阻止腫瘤進一步發展。

2.3 靶向IGF-1R 的相關藥物

2.3.1 靶向IGF-1R 的單克隆抗體

有研究發現，乳腺癌、結腸癌、肺癌和前列腺癌等多種類型腫瘤的進展通常與IGF-1R 的異常表達增加有關［37］，這說明靶向IGF-1R 進行抗腫瘤治療有一定的應用潛力。目前，靶向IGF-1R 的單克隆抗體研究較為廣泛。這類抗體可以通過阻斷IGF 與IGF-1R 的結合， 誘導IGF-1R 內化和降解，下調IGF-1R 的表達水平，進而抑制受體下游的信號傳導，最終對腫瘤的發生發展起到抑制作用。Ganitumab［38］是一種重組人源IGF-1R 的單克隆抗體，可以阻斷IGF-1R 與IGF-1、IGF-2 的相互作用。但各種串擾和補償機制可能導致其與信號通路發生相互作用，進而對正常細胞產生影響。目前研發的幾種藥物中，ganitumab 和dalotuzumab 在臨床前研究中均顯示出較好療效［39］，但在之后的臨床試驗中效果較差，且大多數患者都出現了高血糖、血小板減少、中性粒細胞減少癥等不良反應，其中高血糖的發生可能是由GH-IGF-1 負反饋調節機制被激活導致。靶向IGF-1R 的單克隆抗體不抑制雜合受體IGF-1R/IR-A 介導的信號傳導，提示IGF-1R 信號傳導也可以因IR-A 的激活而受到抑制［40］，進而導致靶向IGF-1R 的單克隆抗體的治療效果不佳。靶向IGF-1R 的單克隆抗體雖然可以對腫瘤的發展起到抑制作用，但在使用相關藥物時，仍要做好用藥監護，充分重視因用藥產生的不良反應并及時采取措施。目前研發的靶向IGF-1R 單克隆抗體藥物的類型、作用機制及在研適應癥見表2［38-39，41-44］。

表2 靶向IGF-1R 單克隆抗體的研究情況

2.3.2 靶向IGF-1R 的小分子TKIs

IGF-1R 是RTK 家族的主要成員之一，通過與配體結合，使得靶蛋白的酪氨酸殘基磷酸化，進而在細胞穿膜信號轉導中發揮作用。RTK 不僅是調節正常細胞生物活動的關鍵因子，還在多種類型惡性腫瘤的發展和惡化中起關鍵作用［39］，提示可以通過特異性靶向RTK 來達到治療腫瘤的目的。RTK 屬于酪氨酸激酶家族，有研究表明，TKIs 具有較高的抗腫瘤活性，在結直腸癌［40］、鼻咽癌［45］中可以抑制異常細胞的存活、誘導異常細胞凋亡。目前處在研究中的藥物主要有BMS-754807、linsitinib 和picropodolylin 等，其中linsitinib 是一種強效、高選擇性的體外抗IGF-1R 的TKIs，可以通過抑制 IGF-1R 自磷酸化，阻斷下游信號傳導而達到抗腫瘤作用，目前已進入Ⅱ期臨床試驗階段［46］。TKIs除具有抗腫瘤活性外，還可以有效抑制IR 和IGF-1R 激酶的活性，因此在使用此類藥物時應警惕其可能導致的代謝功能紊亂以及高血糖、胰島素抵抗等的發生風險。

此外，由于IR 和IGF-1R 結構具有同源性，同屬于RTK 家族，兩者在胞內區域的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP） 結合位點極其相近，因此仍需探索其他方法來進一步抑制IGF-1R，而不是直接靶向ATP 結合位點導致同時抑制IR。最新研究發現，環木酚素中的一種成分picropodolylin 可以選擇性抑制IGF-1R 功能而不會對IR 的活性產生干擾［47］，這一新發現也為臨床的腫瘤治療提供了新方法。目前研發的靶向IGFIR 的小分子TKIs 藥物的類型、作用機制及在研適應癥見表3［46-48］。

表3 靶向IGF-IR 的小分子TKIs 研究情況

2.3.3 靶向IGF-1R 的ASO

ASO 是抑制IGF-1R 信使RNA（messenger RNA，mRNA）翻譯的分子藥物之一，主要是通過Waston-Crick 堿基配對的方式與特定的RNA靶序列進行結合并通過不同機制對蛋白質的表達發揮調節作用［49］，可在RNA 水平上靶向疾病源。目前，ASO 相關藥物在體外和體內靶向mRNA 和非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA） 的能力已被初步驗證，并被開發用于控制疾病。Lang 等［50］研究了ASO 干擾PCAT6 的治療效果，設計了一種靶向PCAT6 的ASO 藥物并通過使用骨轉移模型對其在體內的治療效果進行研究。結果顯示，靶向PCAT6 的ASO 藥物可抑制體內骨轉移，且發病率有所降低、溶骨面積縮小，且顯著延長了總體生存期和無骨轉移生存期，提示靶向PCAT6 的ASO 可能是治療前列腺癌骨轉移的一種有效方法。Ghosh等［51］通過對大鼠肝癌H4IIEC3 細胞中3 種ASO（ASO-1、ASO-2、ASO-3） 進行研究， 發現ASO 可以阻斷IGF-2基因的過表達，其中ASO-1可以顯著抑制肝癌的進一步發展。ATL1101 是一種針對IGF-1R 的修飾ASO，通過ATL1101 轉染前列腺癌細胞系，發現其可以抑制細胞生長、促進細胞凋亡；在體內實驗中，經ATL1101 治療后，前列腺癌小鼠模型腫瘤生長速度顯著降低［52］。上述研究均提示靶向IGF-1R 的ASO 是一種具有有效抗腫瘤作用的藥物。

2.4 靶向IGF-1R 下游通路的相關藥物

IGF-1 可以特異性結合IGF-1R 并激活細胞內的信號通路（主要為PI3K/AKT/mTOR 和MAPK）。靶向IGF-1R 下游信號通路、抑制AKT和MAPK 信號傳導途徑的促腫瘤作用是治療腫瘤的有效方法，主要藥物分為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）抑制劑和絲裂原細胞外激酶（mitogen-activated extracellular signal-regulated kinase，MEK）抑制劑兩大類。

PI3K/AKT/mTOR 信號通路在促進腫瘤細胞增殖、轉移和存活方面具有關鍵作用，mTOR 抑制劑主要通過阻斷關鍵信號傳導而發揮抗炎、抑制細胞增殖作用，目前已被應用于多種惡性腫瘤的治療研究中，代表藥物依維莫司（everolimus）已通過相關試驗證明其在乳腺癌的治療中具有較好療效和較高的安全性［53］。但這類藥物仍存在不足，例如長期使用易產生耐藥性［54］。

MAPK 信號傳導途徑對于細胞間和細胞內的信號傳導至關重要，它主要負責調節細胞的生長、分化、凋亡等基本功能［55］。MEK 位于MAPK 通路的下游，可高度調節細胞增殖、分化、凋亡和應激反應。目前，美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）已批準了4 種MEK 抑制劑， 包括trametinib、binimetinib、selumetinib和cobimetinib。這4 種藥物均為ATP 非競爭性MEK 抑制劑，不易與其他靶標產生交叉抑制。其中trametinib 和dabrafenib 聯合使用的治療方案是唯一獲批用于治療BRAF V600E突變非小細胞性肺癌患者的方案［56］，其中BRAF是RAS/RAF/MEK/MAPK 信號通路中的關鍵致癌基因。但在臨床應用中，MEK 抑制劑也存在耐藥風險，其原因可能為RAS 可以同時靶向ERK/MAPK 和PI3K/AKT 兩條信號通路，但這兩條信號通路之間可能存在交叉或相互調節的現象，因此會導致MEK 抑制劑耐藥。

2.5 靶向IGFBPs 的相關藥物

IGFBPs 是IGF-1、IGF-2 的高親和力調節劑，在促進細胞增殖、分化、存活、遷移和侵襲等方面具有調節作用，且與免疫調節、代謝、惡性腫瘤一系列生理病理過程相關［15］。IGFBP-1 與包括肝癌、乳腺癌、子宮內膜癌以及胃癌在內的多種惡性腫瘤密切相關［57］，Yang 等［58］在一項關于熊果酸在肝細胞癌中抗腫瘤作用的研究中發現，熊果酸通過p38（MAPK） 誘導IGFBP-1 和FOXO3a 的表達水平，進而抑制肝細胞癌的增殖。IGFBP-2 具有促癌作用，其表達水平與前列腺癌、卵巢癌和乳腺癌等多種惡性腫瘤中的腫瘤細胞侵襲性和已建立的腫瘤標記物之間存在正相關關系。磷酸酯酶與張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN）位于PI3K/AKT 信號通路的上游，是一種抑制PI3K/AKT 信號傳導的腫瘤抑制因子，可以下調腫瘤細胞中的IGFBP-2 表達水平，提示可以通過靶向PTEN 達到抑癌的目的［59］。IGFBP-3 是所有IGFBPs 類型中被研究最廣泛的一種多功能蛋白，在早期研究中其已被證明具有顯著的抗腫瘤作用以及抑制 IGF-1R、AKT 和EKR 信號傳導激活的作用［15］。有研究發現，IGFBP-3 的受體TMEM219 還可以作為某些惡性腫瘤的診斷和預后生物標志物［60］。IGFBP-4 在結腸癌、前列腺癌中可以抑制細胞凋亡，阻止惡性腫瘤發生，且具有體外抑制IGF 的作用。相關研究表明［61］，對IGFBP-4基因進行敲降可以有效阻止肺癌細胞的生長，且IGFBP-4 表達水平與肺癌患者的預后呈負相關，提示IGFBP-4可能成為肺癌的一種新的生物標志物。IGFBP-5 由于所處環境的不同而發揮抑制或促進IGF-1R 信號傳導的作用［62］。IGFBP-5 可以增強IGF 對骨肉瘤細胞的抗凋亡作用［63］，其表達水平的上調與結直腸癌患者的腫瘤分化、淋巴結轉移、耐藥性和預后不良等有關［64］。IGFBP-6 對于IGF-2 的親和力約為IGF-1 的50 倍，所以其主要抑制IGF-2 的作用，即抑制腫瘤細胞的分化、增殖、遷移以及體外存活等［58］。有研究表明［65-66］，可以通過測定IGFBP-6的表達水平對乳腺癌、胃癌和鼻咽癌復發進行預測。

3 小結

本文通過對IGF 系統中的配體、受體、結合蛋白及相關下游信號通路進行研究，發現IGF 系統在腫瘤的發生發展中具有重要作用。由于IGF 系統組分復雜，又影響多條信號傳導途徑，因此，盡管靶向IGF 系統抗腫瘤藥物在臨床前研究中取得了較好結果，但其在進行臨床試驗時仍多以失敗告終，靶向IGF 系統的抗腫瘤治療仍面臨巨大挑戰。分析其失敗原因可能包括：①藥物在靶向IGF-1R 的同時也可對其他信號傳導途徑產生干擾，這可能是由IGF-1R 和IR 所形成的雜合受體導致。IGF-1R 與IR 高度同源，結構幾乎相同［67］，所形成的雜合受體包含IR 和IGF-1R 各自的一個α亞基和一個β亞基。除此之外，IR 由單個基因編碼，轉錄期間的交替剪接導致生成不同亞型（IR-A 或IR-B）。在整個IGF 系統中，主要包含3 種配體IGF-1、IGF-2和胰島素，靶向IGF-1R 的藥物與至少6 種受體（I R-A、I R-B、I R-A/I R-B、I G F-1 R、I G F-1R/IR-A、IGF-1R/IR-B） 相互作用。 ②有些藥物在對腫瘤細胞產生作用的同時也可對人體正常細胞以及生理功能產生不良影響，這可能是由于在臨床用藥過程中尚未尋求到合適的劑量范圍，使其在對腫瘤細胞產生作用的同時將對人體的不良反應降至最低。

未來可從以下幾個方面進行研究：①厘清相關信號通路，減少信號通路之間的串擾對結果產生的影響。②通過與其他藥物聯用，提高治療效果，減少不良反應。③開發具有高親和力和高特異性的治療藥物，如可以特異性靶向IR-A、而不影響IR-B的代謝功能的藥物。④從miRNA、lncRNA 水平上靶向其相關基因從而進行下一步深入探究。隨著相關研究的日益深入，靶向IGF 系統將會成為一種具有廣泛前景的臨床抗癌治療新方法。