腫瘤低氧微環(huán)境激活前藥研究進(jìn)展

張海麗,楊靜,鄧大偉

(中國藥科大學(xué) 工學(xué)院,江蘇 南京 210000)

1 腫瘤低氧微環(huán)境

腫瘤微環(huán)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(fā)揮非常重要的作用,它是線粒體呼吸產(chǎn)生能量的過程的最終受體。1953年,Gray等人發(fā)現(xiàn),氧合良好的腫瘤細(xì)胞對放療的反應(yīng)比缺氧細(xì)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(xué)家們通過60多年的臨床和實驗證實,缺氧狀態(tài)是多種實體瘤中普遍存在的特點。因此,缺氧被認(rèn)為是癌癥的標(biāo)志之一[4]。多數(shù)腫瘤長至1～2 mm大小后,后續(xù)由于增殖需要建立自己的血管進(jìn)行氧氣和養(yǎng)分供給,所以在快速生長的實體瘤中出現(xiàn)了紊亂有缺陷的脈管系統(tǒng),并且成為絕大部分腫瘤低氧的主要原因,從而導(dǎo)致氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)的減弱。由于氧氣和營養(yǎng)的供應(yīng)缺失,促進(jìn)HIFs因子促進(jìn)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(qū)域變成了低氧并逐漸形成一個氧分壓的漸變區(qū)域,在低氧條件下,腫瘤細(xì)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(jìn)行生長[6]。而在腫瘤的低氧區(qū)域的細(xì)胞高表達(dá)各種生物還原酶,可以將氧化性的物質(zhì)還原,以提高缺氧區(qū)域含氧量[7]。

缺氧微環(huán)境還是癌癥復(fù)發(fā)的關(guān)鍵因素,因為它具有調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、防止細(xì)胞凋亡、干細(xì)胞維持和靜止以及選擇耐藥性非循環(huán)癌細(xì)胞等活性[8]。腫瘤缺氧會導(dǎo)致細(xì)胞去分化或者細(xì)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(xì)胞發(fā)育從而抑制T細(xì)胞,使腫瘤產(chǎn)生免疫抵抗[10]。癌癥轉(zhuǎn)移是患者癌癥復(fù)發(fā)和死亡的主要原因。原發(fā)性、繼發(fā)性腫瘤或轉(zhuǎn)移的形成受到多方面腫瘤-基質(zhì)相互作用的極大影響,其中腫瘤微環(huán)境的基質(zhì)成分可以影響癌細(xì)胞的行為。

2 低氧激活前藥

靶向癌癥治療的理想目標(biāo)是以最小的副作用實現(xiàn)高腫瘤特異性,目前FDA批準(zhǔn)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(tǒng)的藥物都通過比如抑制DNA復(fù)制,干擾RNA轉(zhuǎn)錄,阻斷細(xì)胞分裂和抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶,從而阻止細(xì)胞分裂和腫瘤生長。但是都無法區(qū)分正常地快速生長的細(xì)胞和異常的不可控制地增殖的腫瘤細(xì)胞。因此使藥物在腫瘤部位再發(fā)揮藥效成為了抗腫瘤藥物研發(fā)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(fā)表文章提出的概念[15]。前藥一般是無活性物質(zhì),被體內(nèi)的酶或者其他活性物代謝轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)從而發(fā)揮作用[16]?；诙鄶?shù)腫瘤的低氧微環(huán)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(shù)的人們都在研究低氧激活前藥,從剛開始發(fā)現(xiàn)了替拉帕明的缺氧細(xì)胞毒性開始,又陸續(xù)開發(fā)了不少低氧激活前藥,有一部分已經(jīng)進(jìn)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(zhuǎn)活化過程和/或氧化還原酶在腫瘤組織中的過表達(dá)的能力。最常見的方法是在還原代謝過程的早期產(chǎn)生前藥自由基(通常是單電子產(chǎn)物),該中間體能夠通過細(xì)胞中存在的分子氧反氧化為母體前藥和ROS[19]。在低氧環(huán)境下,母體前藥進(jìn)一步還原/歧化或者斷裂,從而產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的物質(zhì)[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(xì)胞區(qū)域是通過兩種前藥激活方式之一實現(xiàn)的。

低氧激活前藥(Hypoxia-activated prodrugs,HAPs)設(shè)計主要包括三部分結(jié)構(gòu),分別是:(1)觸發(fā)基團(tuán);(2)連接子;(3)效應(yīng)物[21]。觸發(fā)基團(tuán)是決定前藥活化和缺氧選擇性的關(guān)鍵基團(tuán),這些觸發(fā)基團(tuán)必須經(jīng)過酶促還原(主要通過氧化還原酶)才能釋放或激活效應(yīng)物。目前主要有五種不同的化學(xué)基團(tuán)(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(shè)計的關(guān)鍵[22]。效應(yīng)物是指能夠在缺氧微環(huán)境中殺死細(xì)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(yīng)物與觸發(fā)基團(tuán)有效連接[21]。

3 硝基(雜)環(huán)化合物

硝基芳烴很容易被腫瘤低氧微環(huán)境高表達(dá)的硝基還原酶還原成相應(yīng)的胺,隨后在NADH作用下,發(fā)生分子內(nèi)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(dá)到缺氧區(qū)域之前釋放藥物[24]。與母體藥物相比,這些HAP在缺氧區(qū)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(xì)胞系中都具有高度細(xì)胞毒性,特別是在缺氧條件下。對26只結(jié)腸荷瘤小鼠體內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(jīng)歷由各種還原酶介導(dǎo)的單電子還原,例如細(xì)胞色素還原酶(P-450R,CPR),NADH-細(xì)胞色素b5還原酶(CB5R)和NADPH:泛醌氧化還原酶(復(fù)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(yīng),從而產(chǎn)生ROS進(jìn)而增加氧化應(yīng)激。通常,常氧環(huán)境中會抑制半醌自由基陰離子的形成[27-29]。在缺氧環(huán)境中,半醌自由基可以進(jìn)一步還原為對苯二酚,進(jìn)而促進(jìn)內(nèi)部電子重排,導(dǎo)致共價鍵裂解和藥物釋放,發(fā)揮藥效。吲哚醌酮類化合物已被廣泛報道應(yīng)用于低氧激活前藥的釋放,其中EO9(化合物3)已經(jīng)進(jìn)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(xì)胞的毒性比體外有氧條件高300倍[31]。TPZ首先經(jīng)歷單電子還原以產(chǎn)生TPZ自由基;在沒有氧氣的情況下,TPZ自由基經(jīng)歷自發(fā)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生苯并三嗪基自由基,導(dǎo)致DNA斷裂和其他復(fù)雜病變[32-33]。當(dāng)存在氧氣時,TPZ經(jīng)歷徒勞的循環(huán)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(xì)胞具有生物保護(hù)作用,因為它繞過TPZ自由基的形成,產(chǎn)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(jìn)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(chǔ)上優(yōu)化了在腫瘤部位的擴(kuò)散和代謝特性[34]。能夠以更高的濃度到達(dá)腫瘤缺氧部位,目前計劃進(jìn)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(huán)境中被還原產(chǎn)生具有雙胺結(jié)構(gòu)的AQ4,這種雙胺是一種強(qiáng)拓?fù)洚悩?gòu)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(xì)胞的細(xì)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(lián)合使用時表現(xiàn)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(xué)家對AQ4N進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)類似物都已經(jīng)被確定為有效的低氧激活前藥[35-37]。

7 過渡金屬絡(luò)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(lián)合使用其中一種復(fù)合物[38]。目前公認(rèn)的作用機(jī)制是Pt(Ⅱ)復(fù)合物通過被細(xì)胞攝取后能夠與DNA結(jié)合來靶向快速增殖的細(xì)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(jī)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(luò)合物。與有機(jī)藥物相比,基于金屬的藥物具有鮮明的優(yōu)勢,例如能夠調(diào)整其各自的幾何形狀,改變其配位數(shù)以及經(jīng)歷氧化還原狀態(tài)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(huán)己胺二氯鉑(Ⅳ)](化合物7),被開發(fā)為口服給藥的抗癌鉑劑[43]。它能夠在血液中進(jìn)行生物還原,產(chǎn)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(xì)胞系中顯示出更好的毒性。它還對順鉑耐藥癌細(xì)胞系41McisR和HX/155cisK表現(xiàn)出良好的藥物活性[45]。并且在ADJ/PC6荷瘤小鼠的體內(nèi)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(luò)合物比如鈷、釕等過渡金屬的配合物也在陸續(xù)開發(fā)中[46-48]。

8 總結(jié)與展望

在過去的幾十年間,將腫瘤缺氧作為治療靶點已經(jīng)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(fā)策略,而且可以適當(dāng)對癌癥治療方案進(jìn)行改進(jìn)。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(fù)相關(guān),所以正常細(xì)胞在很大程度上可以免于藥物的殺傷。癌癥醫(yī)學(xué)的一個新興范例是使用定義的生物標(biāo)志物進(jìn)行個性化治療,識別和驗證低氧激活前藥將很好地服務(wù)于腫瘤的個性化治療,滿足臨床需要。