蛋白酶抑制劑類抗癌藥物的研究進展

杜登學(xué)，王姍姍，宮風華，周 磊，張志鵬

(1.山東輕工業(yè)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，山東 濟南 250353；2.上海啟達化工科技有限公司，上海 201512)

癌癥的發(fā)病率近年來迅速增長，嚴重威脅著人類的生命健康，對癌癥的治療早已提上日程。癌癥治療藥物種類繁多，近年來新興的蛋白酶抑制劑類藥物以其藥效高、副作用小、協(xié)同作用好等優(yōu)點受到重視。進入21世紀，蛋白酶抑制劑類抗癌藥物的研究成為熱點，較受關(guān)注的有硼替佐米(Bortezomib，1)、MG-132(2)、NLVS(3)、Tyropeptin A(4)、NPI-0052(5)、Lactacystin(6)、Omuralide(7)[1]等(結(jié)構(gòu)如圖1所示)。其中對硼替佐米的研究尤其活躍。

圖1 蛋白酶抑制劑類抗癌藥物的結(jié)構(gòu)

1 簡介

蛋白酶體是一個廣泛分布于真核細胞質(zhì)和細胞核中的高度保守的具有多種催化功能的蛋白酶復(fù)合物，尤其能催化水解連接有多聚泛素鏈的蛋白，是泛素—蛋白酶體(UPP)通路的主要組分。泛素-蛋白酶體類藥是癌癥治療陣營中的新星，大量研究證實了其藥效藥性，拓寬了癌癥治療的途徑。泛素-蛋白酶體調(diào)控著人體內(nèi)必需、非必需或廢棄的細胞蛋白的降解，該調(diào)控在許多癌癥細胞中往往調(diào)控紊亂[2]。

治療多發(fā)性骨髓瘤的二肽硼酸類化合物硼替佐米，在2003年得到了FDA的批準，率先在美國上市；2005年9月在我國上市，成為第一個上市的蛋白酶抑制劑類藥物。隨后一系列具有蛋白酶抑制活性的合成小分子化合物或提取的天然化合物進入臨床試驗。

2 結(jié)構(gòu)機理

泛素-蛋白酶體是人體內(nèi)降解蛋白質(zhì)的主要途徑(90%)，其形狀是由5個β-螺旋折疊形成一個中空并由一個α-螺旋填充的緊致球形[3]，它的結(jié)構(gòu)核心蛋白酶體(26S)是一個ATP依賴性蛋白水解酶復(fù)合體[4]。26S蛋白酶體主要由1個圓柱型的20S的催化中心和2個V型的19S的調(diào)節(jié)粒子組成。19S的調(diào)節(jié)粒子上有多個ATP酶活性位點，主要作用是識別已經(jīng)泛素化的蛋白質(zhì)，經(jīng)過加工后，再將其轉(zhuǎn)運至20S催化中心，賦予20S以ATP依賴性[5]。20S的催化中心主要由3個復(fù)合體酶的催化部位組成，分別為：類糜蛋白酶活性(ChTL)、類胰蛋白酶活性(TL)、蛋白酶樣活性[6]。這些蛋白酶具有不同的活性，可以定向水解蛋白質(zhì)上的特定氨基酸，達到水解蛋白質(zhì)、釋放多肽的目的。一般情況下蛋白酶抑制劑只抑制3個酶活性部位中的一個或兩個來抑制蛋白質(zhì)的水解，如硼替佐米只抑制類糜蛋白酶的活性[7]。

蛋白酶體的活性對細胞功能的維持非常重要。26S蛋白酶體對蛋白的降解依賴于對靶蛋白的泛素化和泛素化蛋白的識別，該過程由泛素激活酶E1、泛素結(jié)合酶E2和泛素連接酶E3依次完成[8～10]。蛋白酶體抑制劑能通過抑制蛋白酶體活性干擾和影響細胞正常的功能，通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)含量對腫瘤細胞的生長產(chǎn)生抑制作用。利用蛋白酶體抑制劑選擇性抑制某些活性位點，從而改變蛋白酶體的酶切位點已成為免疫、抗炎等領(lǐng)域研究的熱點。

3 抗癌特性

泛素-蛋白酶體主要有3個作用：加工非活性的蛋白前體成活性蛋白、調(diào)節(jié)體內(nèi)蛋白平衡和識別除去異常蛋白[11，12]。作用于蛋白酶體的抑制劑的抗癌機理說法不一，但是在哺乳動物細胞的分裂增長中發(fā)揮著極為重要的作用是肯定的。臨床研究表明，蛋白酶類抑制劑能夠使細胞中的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)集中在細胞質(zhì)中，從而降低一些酶的活性，達到抑制惡性細胞分裂的目的[6]。有人指出因為腫瘤細胞中蛋白質(zhì)的運轉(zhuǎn)周期短，癌細胞對蛋白酶抑制劑更敏感[13]；有人則認為在腫瘤細胞中，抑制劑與蛋白酶的作用時間比正常細胞長[14]，阻礙癌細胞增長；還有人認為抑制劑在癌細胞中的降解速度較慢，作用時間長，從而達到治療癌癥的目的[6，15]；腫瘤抑制因子在正常細胞中低水平表達，能很快被蛋白酶體降解，抑制劑能抑制酶體活性、增加腫瘤抑制因子濃度[16]。通過蛋白酶體來抑制蛋白質(zhì)的降解是近年來癌癥治療的研究熱點，它擴大了化學(xué)治療藥的靶向范圍。

4 蛋白酶類抑制劑藥物

4.1 醛基肽類

蛋白酶抑制劑的研究始于醛基肽類化合物，最早研究的主要有鈣蛋白酶抑制劑Ⅰ(Ac-Leu-Leu-nLeu-al)和天然放射菌類產(chǎn)物亮太素(Ac-Leu-Leu-Arg-al)、MG-132、CEP-1612、CVT-634等。醛基肽類化合物一般具有強的缺電子羰基和弱的位阻，醛基與蘇氨酸殘基的-OH結(jié)合，形成一個半縮醛的結(jié)構(gòu)，可逆性地抑制蛋白酶復(fù)合體的活性[17]，但是醛基肽類抑制劑能很快被氧化成酸而被運出體外，天然化合物大多數(shù)作用強度較低、選擇性不好，合成的稍好一些，但也未得到廣泛的應(yīng)用。后來人們?yōu)榱嗽鰪娖渌幮宰隽艘恍└倪M，比如在醛基的α位引入羰基、靶向載體[18]等，但總的來說應(yīng)用不夠廣泛。

4.2 β-內(nèi)酯類

β-內(nèi)酯類化合物大多是從天然產(chǎn)物提取出來的。鏈霉菌代謝產(chǎn)物Lactacystin是從自然界分離出來的首個非肽類高度特異的蛋白酶抑制劑，Lactacystin在體內(nèi)經(jīng)過Jurkat T酶催化形成β-內(nèi)酯活性中間體Omuralide(化合物7)[19]，受絲氨酸殘基上羥基的進攻，打開內(nèi)酯環(huán)不可逆地抑制蛋白酶體的活性，其中酰胺環(huán)上的取代基對抑癌效果有很大的影響。

4.3 非共價類

一般的蛋白酶抑制劑都是以共價鍵同調(diào)節(jié)靶向結(jié)合，非共價抑制劑是同活性位點旁的特種基團發(fā)生非共價作用，例如氫鍵、范德華力等。該類化合物包括2-氨基芐基Staine結(jié)構(gòu)為母體的化合物和環(huán)肽類化合物。TMC-95 A～D化合物是從菌屬Apiosporamontagnei中提取的經(jīng)過修飾的氨基酸殘基環(huán)肽類化合物[20]，該類化合物是天然提取產(chǎn)物中唯一的非共價抑制劑，藥效在納摩爾級。該類物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，全合成有一定難度。

4.4 硼酸肽類

硼酸肽類化合物是現(xiàn)階段最重要的蛋白酶抑制劑。一些研究已明確表明它有較好的蛋白酶體抑制活性和選擇性，主要抑制核心蛋白酶體20S中類糜蛋白酶的活性。第一個硼酸肽類蛋白酶抑制劑藥物硼替佐米是由日本武田和美國強生公司共同研發(fā)的，用于治療復(fù)發(fā)和難治性多發(fā)性骨髓瘤[21]。

4.4.1 硼替佐米的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

硼替佐米是哺乳動物細胞中26S蛋白酶體糜蛋白酶樣活性的可逆抑制劑。活性中心是化合物中的硼酸結(jié)構(gòu)，化合物中硼原子外層只有6個電子，含有一個空軌道，是一個典型的Lewis酸結(jié)構(gòu)，可以與蛋白酶體中催化中心的絲氨酸殘基中的-OH形成配位鍵，從而可逆性地抑制酶的活性。其結(jié)構(gòu)改造主要通過改造二肽硼酸主鏈上的3個殘基來進行。近年來用此法也發(fā)現(xiàn)了一些有較高醫(yī)用性的藥物，有的已進入臨床前試驗[22]。

體外研究表明，硼替佐米對多種類型的癌變細胞有細胞毒性。它在人體內(nèi)可以引起腫瘤細胞凋亡，并增強腫瘤細胞對放療和化療的敏感性[23]。

多發(fā)性骨髓瘤被界定為不可治愈的疾病，臨床表現(xiàn)不盡相同，硼替佐米對表達細胞周期蛋白D1的患者有更好的療效。硼替佐米對多種腫瘤都有很好的治療效果，如淋巴腫瘤、白血病、乳腺癌等，已經(jīng)是抗癌領(lǐng)域的先鋒藥。對很多已經(jīng)產(chǎn)生耐藥性的腫瘤細胞有很好的抑制增殖作用。與其它抗癌藥物如帕替尼、地塞米松、阿霉素、沙利度胺、馬法蘭等聯(lián)合使用，具有療效疊加及協(xié)同效應(yīng)，還能延緩病變細胞的耐藥性。

4.4.2 硼替佐米的合成

硼替佐米化學(xué)名稱[(1R)-3-甲基-1-[[(2S)-1-氧-3-苯基-2-[(吡嗪羧基)氨基]丙基]氨基]丁基]硼酸，屬于α-氨基硼酸肽類化合物，此類化合物的生物藥效明顯，但一般來說合成比較困難，主要原因是硼酸的α位存在一個不對稱碳原子，它是化合物活性的重要組成部分。α-氨基硼酸部分的合成，以前基本上都是采取Matteson′合成法[24]，由手性硼酸酯反應(yīng)得α-氯硼酸酯，進一步轉(zhuǎn)化成α-氨基硼酸。

此外，Sadighi′在Backer的研究基礎(chǔ)[25]上設(shè)計了新的合成方法[26]：在金屬銅配合物的催化作用下，亞胺中間體8與化合物9加成，生成α-氨基硼酸化合物10，這一步驟的優(yōu)點是產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好、立體選擇性也較好。然后在酸性條件下，選擇性地水解氮端的磺?；鶊F，得到化合物11?；衔?1在TBTU的催化下，與N-Boc-L-苯丙氨酸反應(yīng)，經(jīng)鹽酸酸化得到化合物12?；衔?2與(2-Pyrazine)COOH發(fā)生耦合反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)水解硼酸保護基團后純化即得到物硼替佐米(即化合物1)。合成路線見圖2。

圖2 硼替佐米的Sadighi′合成路線

Zhu等[1]以蒎烯和L-苯丙氨酸為原料合成硼替佐米。先將蒎烯氧化(該步需使用劇毒催化劑四氧化鋨)，再以二氯甲烷為起始反應(yīng)物經(jīng)酯化、取代、構(gòu)型選擇等得到重要的活性中間體16，再由化合物16和氨基酸縮合物17經(jīng)縮合、硼酸化得目標產(chǎn)物，純化后得到純的硼替佐米，具體合成路線見圖3。該合成路線比較長，多步反應(yīng)需在較低溫條件下才能完成，不太適合工業(yè)化生產(chǎn)。

除此之外還有多類抑制劑如乙烯基磺?；衔铩h(huán)氧酮類[27，28]、多酚類、β-內(nèi)酰胺[29]、偶氮肽類等類型的抑制劑。

5 展望

當今雖然有很多種抗癌藥物，但或多或少都存在一些問題，如藥效差或毒副作用大等。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)是哺乳動物細胞內(nèi)主要的蛋白質(zhì)控制系統(tǒng)，泛素-蛋白酶體監(jiān)控體系參與細胞的整個增殖、分化和凋亡過程。異常的泛素-蛋白酶體行為與惡性腫瘤的發(fā)生和發(fā)展有著密切的關(guān)系，這主要是由于異常的泛素-蛋白酶體系統(tǒng)對細胞內(nèi)重要功能蛋白質(zhì)的降解失常所造成的。因此，研究靶向作用于蛋白酶體的藥物對于控制治療一些腫瘤疾病有重要的意義。上述的幾類化合物中，有的已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，其中硼酸肽類和β-內(nèi)酯類化合物對靶點的選擇性好、副作用少，市場開發(fā)潛力較大。

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