酪氨酸激酶抑制剂类小分子抗肿瘤药物的研究进展

2019-01-02

随着人们生活方式的改变和环境污染加重,恶性肿瘤已成为严重威胁人类健康的第一杀手,是全球最大的公共卫生问题之一。由于现代病理学以及相关生命科学的不断发展,肿瘤细胞内信号传导、细胞周期调控、细胞调亡诱导等癌症发生发展过程及机制也逐渐明确,针对病理过程中某个关键酶或受体为靶点设计靶向性药物已成为目前抗肿瘤药物研发的一个重要方向。许多研究证实,酪氨酸激酶( tyrosine kinasesTKs) 在肿瘤的发生发展过程中发挥着极其重要的作用,而以TKs 为靶点的药物也已成为当前抗肿瘤药物研究的主流趋势之一。目前国内外已有30 多种以TKs 为靶点的抑制剂类抗肿瘤药物批准上市( 见表1) ,还有200 多种候选药物处于临床或临床前研究阶段,这些药物的出现为肿瘤的治疗提供了新的可能。结构分析可知,目前正在研究的或已上市的小分子酪氨酸激酶抑制剂( tyrosinekinase inhibitorsTKIs) 分子结构中均含有1 个或多个杂环骨架,具体见表1。本文根据TKIs 药物分子核心杂环骨架的不同,对近年来基于TKs 的小分子抗肿瘤靶点药物以及相关类似物的研究进展和趋势进行综述,以期为相关药物研发者提供一些启示。

1 酪氨酸激酶

酪氨酸激酶是能催化三磷酸腺苷( ATP) 上的γ-磷酸基转移到许多重要蛋白质的酪氨酸残基上,使其发生磷酸化的一类激酶,参与正常细胞的生长调节和信号传递,在多种生理过程中发挥重要作用。现代病理学研究发现,TKs 的异常表达与肿瘤的增殖、侵袭、转移、凋亡以及肿瘤新生血管的生成等密切相关,因此,可通过抑制或干扰TKs 来实现对肿瘤的预防和治疗。

1 1 TKs 家族成员 酪氨酸激酶根据其是否分布于细胞膜上可分为受体酪氨酸激酶( receptor tyrosinekinases,RTKs) 和非受体酪氨酸激酶( nonreceptortyrosine kinasesNTKs)。RTKs 是一类具有内源性蛋白酪氨酸激酶活性的细胞表面跨膜蛋白受体,通常由一个可以与特定配体相结合的细胞外结构域、一个跨膜区及一个可以选择性地与底物结合并将其磷酸化的细胞内激酶域组成。将配体与RTKs 的细胞外结构区域结合,引起其结构改变从而产生酶催化活性。

目前已发现58 种分属20 个家族的RTKs,包括血管内皮生长因子受体( VEGF) 、血小板生长因子受体( PDGF) 、表皮生长因子受体( EGF) 、成纤维细胞生长因子受体( FGF) 、巨噬细胞集落刺激生长因子受体( M-CSF) 、胰岛素受体( INS) 、神经生长因子受体( NGF) 和肝细胞生长因子受体( HGF)等成员。相关因子的异常表达或非调控活性增高将直接导致细胞增殖调节紊乱,与肿瘤的发生和发展联系密切。NTKs 一般不具备细胞外结构域,通常存在于细胞膜或细胞质中,持续或暂时位于胞浆,或在细胞膜内侧与跨膜受体结合,主要通过细胞因子受体、T 细胞受体及其他信号通路执行信号转导功能。目前为止,已发现32 种分属10 大家族的NTKs,包括SCABLJAKACKCSKFAKFESFKTEC SYC 等成员,其中明确与恶性肿瘤的发生发展密切相关的是SCABL JAK FAK4 个家族。

1 2 TKs 的结构 酪氨酸激酶一般折叠成2 个亚区,ATP 结合位点就位于这2 个亚区之间,并被它们所包围。N 端由一个α 螺旋和5 个β 折叠链组成,位于ATP 结合口袋的底部。在ATP 结合口袋的上端是甘氨酸富集区( GL) GL 具有较好的柔性,在催化时负责ATP 结合口袋的张开和闭合。而C端主要以螺旋形式存在,其中活化环就是C 端的一部分,含有丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基,这些氨基酸一旦发生羟基磷酸化即可激活激酶。N 端和C 端通过铰链连接在一起,两端的旋转、打开和关闭具有一定的自由度。研究发现,细胞内TKs 存在活化和非活化2 种构象。当苯丙氨酸上的苯环指向N 端α螺旋时,TKs 处于活化构象。而当苯环翻转到结合位点,阻挡了ATP 与激酶的结合时,TKs 处于非活化构象。活化环与N 端发生作用,立体上遮盖住ATP结合位点,同时将酶保持在一个更为刚性的状态。

1 3 靶向抑制剂的结合位点 蛋白激酶家族具有高度同源性,目前已报道的TKIs 类小分子靶向药物大多通过以下3 种模式实现对激酶活性的抑制: 直接与ATP 结合位点结合,阻断后续反应,目前研发的大部分TKIs 均是深入到激酶的ATP 结合位点。② 与非活化构象的变构位点相结合,间接地与ATP 竞争。③ 与激酶和底物的接触界面结合。

2 TKIs 类小分子抗肿瘤药物及类似物

根据目前已上市TKIs 类药物的化学结构和核心杂环骨架,大致可以分为嘧啶类、吲哚类、喹唑啉类、芳香脲类、喹啉类、吡啶类、吲唑类和其他类等。

2 1 嘧啶类化合物 嘧啶类药物是最早研究发现的一类小分子TKIs。目前已上市的嘧啶类TKIs 抗肿瘤药主要有伊马替尼( imatinib) 、达沙替尼( dasatinib)、尼洛替尼( nilotinib) 、拉多替尼( radotinib) 、达拉非尼( dabrafenib) 、曲美替尼( trametinib) 、色瑞替尼( ceritinib) 、奥莫替尼( olmutinib) brigatinib 等。

伊马替尼( 化合物1) 作为首个针对癌细胞分子作用机理而合理设计开发的抗癌新药,由诺华制药2001 年研制上市,开创了肿瘤分子靶向治疗的时代,目前已被FDA 批准用于多种肿瘤的治疗。伊马替尼属于ATP 竞争性抑制剂,其吡啶和嘧啶环地与BC-ABL 激酶非活化构象ATP 位点结合的高度特异性易使突变株产生临床耐受。2007 FDA 批准伊马替尼类似物———尼洛替尼( 化合物2) 上市,其克服了伊马替尼耐药的基因突变,主要用于慢性髓细胞白血病( chronic myelocytic leukemiaCML)的治疗。同时,Yao 等利用药物设计拼合原理,将具有高效抗肿瘤活性的苯丙烯酰胺和苯甲酰胺与伊马替尼的主要药效团2-N-( 2-甲基-5-氨基苯) 氨基]-4-( 3-吡啶) 嘧啶进行拼合,得到系列类似物,其中5 个化合物对K562 细胞增殖的抑制活性均显著强于伊马替尼。徐芹等以伊马替尼为先导化合物,应用插烯规则和分子对接设计得到16 个苯氨基嘧啶肉桂酰胺类化合物,细胞药效实验证实其中4 个化合物对多种肿瘤细胞的抑制活性均优于伊马替尼。

达沙替尼( 化合物3) 是百时美施贵宝公司研发的首个第2 BC-ABL 抑制剂,2006 年由FDA 批准上市,临床用于伊马替尼治疗失败或耐药的CML患者。达沙替尼不仅可以抑制SFKBC-ABLc-KITEphA2 PDGF-b 等激酶,还可以与ABLBMXBTKEphA4LYNp38ap38MAP SC 等激酶形成蛋白-配体复合物,临床疗效优于伊马替尼,且未发现其耐药性。但也正是由于其低选择性,临床上可能受到由靶向外激酶抑制引起的毒性反应,导致小耐药群体中的癌症持续存在,最终导致先前缓解的患者复发,因此对于达沙替尼类似物的优化改造主要是提高靶向激酶的选择特异性。Tiwari等观察到达沙替尼在与TKs 结合时,哌嗪环上的羟基位于ATP 结合裂缝的正上方,非常接近底物对接位点,因此通过计算机模拟对这个羟基官能团进行改造,并与不同氨基酸和脂肪酸结合生成了25 个类似物,利用不同的非受体TKs( CSKABL SC)对这些化合物进行的活性与特异性检测。结果发现达沙替尼与精氨酸形成的酯化物( 化合物4 ) CSKABL SC 3 种激酶的抑制活性良好( CSK:IC50 = 4 4 nmol·L-1 ; ABL: IC50 0 25 nmol·L-1 ;SC: IC50 0 45 nmol·L-1) ,都显著高于达沙替尼。而与半胱氨酸、谷氨酸、癸酸形成的酯化物( 化合物5 7) TKs 表现出较高特异性( CSK/SC: IC50 =91. 4; ABL /SC: IC50 = 10. 2; ABL /SC: IC50 =10. 3) 。化合物1 7 的结构式见图1

达拉非尼( 化合物8) 是葛兰素史克研发的继维罗非尼( vemurafenib) 后全球第2 个上市的B-AFV600E抑制剂。与维罗非尼吡咯并吡啶的杂环骨架不同,达拉非尼的核心骨架为嘧啶环,是应用药物化学原理和构效关系,将以咪唑并吡啶为母核的苗头化合物根据结构分为头部、核心、尾部三部分,然后依次进行结构改造而成。该药除单独用于治疗B-AFV600E突变的不能切除或转移性的黑色素瘤外,还常与MEK1 /2 抑制剂曲美替尼联合,用于治疗B-AFV600EB-AFV600K 突变的不能切除或转移性的黑色素瘤,以提高患者的持久应答率。2017EMA FDA 先后批准诺华公司研发的达拉非尼用于治疗转移性非小细胞肺癌( non-small cell lungcancerNSCLC) ,进一步扩大了该药的适应证。达拉非尼的结构式见图1

色瑞替尼( 化合物9) 是诺华制药研发的第2 代渐变性淋巴激酶( anaplastic lymphoma kinaseALK)抑制剂,它可以抑制ALK 自身以及ALK 介导的下游信号蛋白磷酸化,继而抑制ALK 阳性癌细胞的增殖,于2014 年通过FDA 加速审批程序批准上市,用于治疗ALK 阳性转移性NSCLC 或经克唑替尼( crizotinib) 治疗后病情恶化及不能耐受治疗的NSCLC 患者,并被授予突破性治疗药物和孤儿药资格。尽管晚上市几年,色瑞替尼拥有与第1 ALK抑制剂克唑替尼完全不同的结构骨架和药效团,是诺华公司在已有针对其他激酶而合成的小分子化合物库中随机筛选得到的先导化合物( 化合物10) 结构基础上进行系列优化改造得到的。先固定化合物结构的26-二苯胺基嘧啶母核不变,采用2-异丙氧基代替苯胺环上的2-甲氧基,在保持高活性和选择性的同时,降低药物的氧化代谢程度。同时为去除对苯二胺片段,减小药物亲电性,将右端的哌嗪环换成4-哌啶基,并在苯环上引入甲基支链。而AIAD 公司研制的brigatinib ( 化合物11) 作为色瑞替尼的类似物,亦是第2 代的ALK 抑制剂,于2017 年通过FDA 批准上市,其主要结构骨架为24-二芳基氨基嘧啶。与其他小分子TKIs 有明显特异的是brigatinib 分子中含有P = O 基团,不仅不参与体内氧化还原反应,其氢键作用力也明显强于其他经典的氢键受体( C = OS = O) ,这正是brigatinib 具有良好的ALK 抑制活性以及ADME 特性的重要原因之一,为后续创新药物的研发提供借鉴。化合物9 11 的结构式见图1

WZ4002( 化合物12) 是第1 个被报道的第3 EGF 抑制剂类药物,能选择性抑制T790M 突变的EGFR。随后基于结构的药物设计方法,发现氨基嘧啶环是WZ4002 与激酶铰链区的结合部位,将WZ4200 嘧啶环上的Cl 原子采用CF3代替,增强与Met793 的疏水作用,研究出结构相似的rociletinib( CO-1686,化合物13) ,该药作为单药疗法,用于携带T790M EGF 突变NSCLC 的二线治疗。由于阿斯利康公司同期研制的同类药物奥希替尼( osimertinib) 在临床试验中显示了更好的风险收益比,2016 4 FDA 根据rociletinib 在临床试验的疗效、剂量和不良反应否决了其提前上市申请。化合物12 13 的结构式见图1

2 2 吲哚类化合物 吲哚类小分子化合物是很经典的一类TKIs 药物。目前已上市的吲哚类TKIs 抗肿瘤药物主要有舒尼替尼( sunitinib) 、尼达尼布( nintedanib) 、奥希替尼( osimertinib) midostaurin。舒尼替尼( 化合物14) 是辉瑞公司研发的一种小分子多靶点TKIs 药物,2006 年获得FDA 批准用于治疗晚期肾细胞癌( renal cell carcinoma,RCC) 和服用伊马替尼后疾病出现进展或不耐受伊马替尼的胃肠道间质肿瘤( gastrointestinal stromal tumorsGIST) 。在临床试验以及上市后调研中发现,服用舒尼替尼后可能出现肝功能衰竭甚至死亡的严重不良反应,针对其肝毒性辉瑞公司2010 年特意在药物的说明书中增加了黑框警示。而江苏恒瑞公司以舒尼替尼为模板,通过结构改造,将吡咯环上的邻位支链进行闭合,将原本整体相对柔性的结构变成刚性的结构,研制出新的抗肿瘤靶向药物———法米替尼( famitinib,化合物15) 。与舒尼替尼相比,法米替尼对c-KITKDR,PDGFR,VEGF2 /3FLT1 /3,RETc -SC 等多个受体表现出优越的抑制活性,推荐的临床治疗剂量下调为25 mg( 舒尼替尼临床治疗剂量为50 mg) ,不良反应几率显著降低。当前该药对晚期结直肠腺癌的治疗已进入Ⅲ期临床试验阶段,同时对多种癌症的Ⅱ期临床研究也在进行中。

2015 年阿斯利康公司基于结构药物设计方法研发的第3 代不可逆抑制剂奥希替尼( 化合物16)被批准上市,用于既往经EGF-TKIs 治疗时或治疗后出现疾病进展,并且经检测确认存在EGFT790M 突变阳性的局部晚期或转移性NSCLC 成人患者的治疗。作为全球第一个上市,也是中国首个获批的用于EGF T790M 突变阳性的抗肿瘤药物,奥希替尼克服了第1 代的吉非替尼、厄洛替尼,以及第2 代的阿法替尼等在治疗9 11 个月后产生耐药性的局限,在肺癌治疗医药发展史上具有里程碑的意义。奥希替尼药效团的铰链区结合部与WZ4200 rociletinib 一样,也是氨基嘧啶环,但其最大特色在于引入的甲基吲哚部分位于嘧啶的2-位,这可能是其具有良好选择性的因素之一。化合物14 16 的结构式见图2

2 3 喹唑啉类化合物 喹唑啉类化合物是研究最早最为广泛的TKIs 药物之一,可高选择性地与ATP竞争结合EGF EGF-TK,阻止激酶的自身磷酸化,使肿瘤细胞停留在G1 期。由于喹唑啉环系结构的替尼药物水溶性极差,生物利用度一直不够理想。特别是第1 代的喹唑啉类TKIs 药物随着临床治疗的进行,易产生耐药的现象也逐步明显。因此,研究出低耐药、高生物利用度的TKIs 是目前该类药物研发者的共同目标。由于该类药物具体结构复杂,可以进一步细分为稠环类、喹唑啉酮类、4-芳胺基类、2( 4) -非芳胺基类和其他类喹唑啉类化合物,其中又以4-芳胺类喹唑啉在抗癌领域表现尤为优异,是许多医药科研人员关注的热点。4-芳胺类喹唑啉主要由3 个六元环( ABC) 1 个仲胺基构成,多年来对于该类TKIs EGF-TK 的构效关系以及复合物晶体结构进行了一系列研究。其中,环A 对于TKIs 活性至关重要,特别是环上的2 N 原子扮演着化合物与激酶间氢键作用的主要角色。据报道,若A 1-位上的N 原子被C 原子替换,活性将降低3 700 多倍; 3-位上的N 原子被C 原子替换,活性将降低200 多倍; 同时2-位的H 原子被取代也对TKIs 的活性有显著影响。B 环对与TKIs活性也有显著影响,8-位上取代会因空间位阻作用而阻止配体与受体之间的相互作用,对活性极其不利; 67-位通常处于水相介质中,是优化化合物物理化学性质而改善其药动学性质的重要修饰位点,提高此部位取代基团的亲水性或采用能形成阳离子的基团取代则可以提高TKIs 活性,增加生物利用度。C 环占据了EGF-TK 的疏水空腔,影响着化合物的亲和力和选择性,环上多以小基团取代常见,特别是34-位以卤素等小基团取代时可显著提高TKIs 活性。而作为A 环和C 环连接桥梁的仲胺基则最好裸露,该位置被取代将显著降低TKIs 活性。目前已上市的喹唑啉类TKIs 药物主要有吉非替尼( gefitinib) 、厄洛替尼( erlotinib) 、拉帕替尼( lapatinib) 、埃克替尼( icotinib) 、凡德他尼( vandetanib) 和阿法替尼( afatinib) 等。

吉非替尼( 化合物17) 作为第1 个被批准用于治疗NSCLC 的分子靶向药物,由阿斯利康2003 年研制上市。由于其与剂量相关的不良反应较为严重,如腹泻、皮疹等,以其为先导化合物研发设计的第2 代、第3 EGF TKIs 相继出现。袁熙基于吉非替尼喹唑啉结构能够特异性识别EGFR,并与ATP 竞争性,同时环多胺具有降低细胞内ATP 含量水平的能力,在保留其喹唑啉环系的基础上,将6-位上的吗啉环替换为环多胺,得到水溶性和药物活性均优于吉非替尼的系列化合物。Zhao 等将吗啉环直接替换为2-氧杂-6-氮杂-螺辛烷,也得到活性与水溶性均较好的化合物18。作为吉非替尼的类似物,OSI 制药的厄洛替尼( 化合物19) 2004年被FDA 批准上市,适用于既往接受过至少一个化疗方案失败后的局部晚期或转移的NSCLCWu等以吉非替尼和厄洛替尼为先导化合物,采用苯并噻唑代替苯环C,同时对喹唑啉环上的67-位取代基进行了研究,发现6-位被甲氧基取代,7-位被含甲基或乙基的氨连后可以增加对细胞凋亡的诱导能力。在此基础上,得到了对HE2 有高抑制活性的化合物20 21。而结构与厄洛替尼相似,差别仅在于侧链的开环与闭环的埃克替尼( 化合物22) 作为我国完全自主知识产权的抗癌新药, 2011 年由浙江贝达药业有限公司研制上市,用于晚期NSCLC 的治疗。临床试验表明,埃克替尼的疗效及毒性与吉非替尼的疗效及毒性相似,但安全性更优。该药的成功研制结束了我国TKIs 类抗肿瘤药物全部进口的历史,是民生领域的两弹一星,打破了患者只能依赖于天价进口抗癌药的尴尬局面。化合物结构式见图3

拉帕替尼( 化合物23) 是葛兰素史克开发上市的一种可逆型TKI,不同于吉非替尼和厄洛替尼只对HE1 选择性抑制,其独特的优势在于对HE1HE2 2 个靶点均有抑制作用,主要用于癌细胞发生转移的乳腺癌治疗。然而,临床研究发现虽然拉帕替尼能延长无进展生存期( progression-free survivalPFS) ,但其伴随较为严重的不良反应。由于拉帕替尼6-位上的甲磺酰基乙氨基甲基呋喃基团处于水相介质区,未能实现与激酶的显著亲和作用,认为可通过引入极性基团或者改造侧链来改善理化性质以提高药物与激酶的亲和作用力,于是通过药物设计方法将拉帕替尼6-位侧链长度进行缩短,并引入氨基支链,使水相介质区的侧链与HE Asp855 Thr854 充分结合,确保药物更有效地进入ATP 结合口袋,得到化合物24。药效学和药动学研究表明,化合物24 不仅能使乳腺癌细胞BT474停留在G1 期,在体内的吸收和消除指数也有明显优势。同时李高全等将聚乙二醇与拉帕替尼通过不同的氨基酸连接起来,得到溶解度和生物利用度均较好的聚乙二醇偶联拉帕替尼化合物。阿法替尼( 化合物25) 作为第一个上市的不可逆型EGF TKIs 类药物,其特征在于丙烯酰胺部分可与激酶区的Cys797 发生加成反应形成共价键,喹唑啉1-位的氮与Met793 形成氢键。尽管不可逆TKIs 在药理活性和作用时间上有明显优势,但如果分子的亲电性过强将会导致其易于与体内非靶蛋白的亲核基团发生非特异性共价结合,从而导致脱靶现象的发生,进而产生不良反应。Serafimova 等证实了含有α-氰基-α,β-不饱和羰基的化合物可以通过与p90 核糖体S6 蛋白激酶发生可逆性共价结合,克服或降低不可逆共价药物引发的不良反应。因此,赖宜生等采用系列α-氰基-α,β-不饱和羰基团对阿法替尼水相区长链进行改造,得到一系列化合物,药效学研究表明改造后的部分化合物对EGF 抑制活性与阳性药阿法替尼和WZ4002 相当或优于阳性药。Tu 等也在此基础上,进一步采用肉桂酰胺基团取代阿法替尼的4-( 二甲氨基) -2--酰胺基团,得到的化合物26 A549PC-3MCF-7Hela 等癌细胞和EGF 激酶均有良好的抑制活性, IC50分别为0 077 674 65 4 83 μmol·L-1 ( 阿法替尼的IC50分别为0 054 15 83 6 81 μmol·L-1 )

2 4 芳香脲类化合物 索拉非尼( sorafenib,化合物27) 是第一个对RAF 激酶和VEGF 激酶同时具有抑制作用的靶向抗肿瘤药,由拜耳和奥尼克斯制药公司联合研发,能抑制多种受体TKs 活性。2005年被FDA 批准上市,用于晚期肾癌、肝癌和甲状腺癌的治疗。由于其多靶点机理、广谱、耐受性好和易于联合用药等优势,以索拉非尼为先导化合物进行了一系列改造,期望发现新的靶向抗肿瘤药物。而针对索拉非尼分子3 个六元环( ABC) 上取代基,各环之间连接臂( 醚键和脲) ,以及C 环酰胺末端的结构改造均有研究。

由于索拉非尼生物活性的关键在于AB 环连接臂的脲基,针对其的结构改造尤为常见。构效关系研究发现,磺脲的活性优于脲,酰胺、磺酰脲和磺酰胺的活性略弱。Williams 等将脲变为氨基咪唑与苯环骈合,得到一系列活性优于索拉非尼的化合物,再将A 环进行4-CF3取代基,对三氟甲基咪唑环替代酰胺末端后得到活性以及药动学均优于索拉非尼的RAF265( 化合物28) 。目前RAF265已进入对晚期黑色素瘤治疗的Ⅱ期临床研究。另Wang 等采用查尔酮骨架代替脲,通过构效关系以及分子对接研究,发现芳香环A 上卤原子( 3-Br4-F) -OCH3( C-345或者C-234) 取代均能显著提高化合物活性。

除脲基外,对索拉非尼其他位点的改造也可提高药物活性。Dzolic 等采用吡嗪环代替吡啶环,显著提高了药物与c-AF 激酶相互作用力。Jiao等将脲和醚键同时替换为酰胺,并将C 环的酰胺末端换为咪唑环后,通过改造芳香环取代基发现,B环酰胺基邻位氢被氯原子取代后,活性显著提高。而有“多吉美之子”之称的瑞戈非尼( regorafenib,化合物29) 则是拜耳以索拉非尼为先导化合物,在B环上引入-F 取代进行结构改造研发而成,能够显著改善临床上对伊马替尼和舒尼替尼产生耐药的胃肠道间质瘤患者的PFS2012 FDA 批准其上市,主要用于治疗转移性结肠直肠癌。临床研究证实,瑞戈非尼是目前针对索拉非尼治疗期间仍发生疾病进展的肝细胞癌患者唯一有效的全身治疗药物。

同时,具有我国完全自主知识产权的多纳非尼( donafenib,化合物30) 由苏州泽璟有限公司在索拉非尼的结构上进行改造,将其C 环侧链上的甲基取代为三氘代甲基后所得,是一种高效的多靶点TKIs类药物,对VEGF1 /2 /3PDGFR,RETc-KITFIT-3c-AF 等多个作用靶点均有显著抑制活性,2012年获得中国化药1 1 类临床批件。多纳非尼现已进入Ⅲ期临床试验,该药的成功研制将为我国晚期肝癌患者在疗效和经济方面带来新的希望。化合物27 30 的结构式见图4

2 5 喹啉类化合物 喹啉类TKIs 药物是在喹唑啉结构基础上将未直接与激酶ATP 口袋中的氨基酸残基相结合的3-N 原子替换成C 原子改造而来。目前已上市的喹啉类TKI 药物主要有伯舒替尼( bosutinib) 、卡博替尼( cabozantinib ) 、乐伐替尼( lenvatinib) 、来那替尼( neratinib) 和安罗替尼( anlotinib)。化合物结构式见图5

伯舒替尼( 化合物31) 是惠氏公司研发的一种强效SC /ABL 双重抑制剂,2010 年经欧盟批准作为“孤儿药”用于治疗CML,之后转由辉瑞公司开发,2012 年获得FDA 批准上市,对慢性期、加速期或急变期Ph 染色体阳性对其他治疗包括伊马替尼、达沙替尼和尼洛替尼治疗不耐受或有抵抗的CML患者具有显著疗效。由于一氧化氮合酶( iNOS)在肿瘤发生发展过程也扮演着重要的角色,Cao等以伯舒替尼为先导化合物,分别引入对iNOS有选择性抑制作用的2-氨基噻唑和2-氨基吡啶等衍生基团,得到对SC /iNOS 良好双重抑制作用的化合物CPU-Y027 ( 化合物32) IC50分别为9 23nmol·L-12 18 μmol·L-1

卡博替尼( 化合物33) 是一种多靶点的TKIs 药物,具有显著的抗癌活性, 2012 FDA 批准用于治疗转移性甲状腺髓样癌( medullary thyroid carcinomaMTC) ,开创了MTC 靶向治疗的新时代。为进一步增加药物的适应证,卡博替尼针对晚期胆管癌和转移性RCC 患者的临床试验也已分别进入Ⅱ期和Ⅲ期。一项Ⅱ期临床试验结果表明,作为中等或较低风险的转移性RCC 患者的一线治疗药物,卡博替尼在PFS 和客观缓解率( objective response rateORR)方面,相比于舒尼替尼具有明显的临床优势。日本卫材公司生产的乐伐替尼( 化合物34) 在喹啉骨架上引入了芳香脲基作为支链,也是一种口服多靶点TKIs 药物, 2015 年获得FDA 批准,用于治疗局部复发或转移病灶进展性放射性碘难治性分化型甲状腺癌( radioiodine-refractory differentiated thyroidcancer,RR-DTC) 。在针对性进行的RR-DTC Ⅲ期临床试验中,与安慰剂组相比,乐伐替尼治疗组中年和老年患者的PFS 均显著延长( 中年患者: 20. 2 vs3. 2 个月; 老年患者: 16. 7 vs 3 7 个月)

另外,还有许多喹啉类TKIs 也即将开发上市,包括正在进行临床Ⅲ期研究的galunisertib,进入临床Ⅱ期研究的吡咯替尼( pyrotinib) 、德立替尼( lucitanib),以及进入临床Ⅰ期研究的普喹替尼( puquitinib)TAS-115 JNJ-38877618 等。同时,研究人员们还在不断努力,开发更高效的药物。李伟等也利用计算机辅助药物设计手段,以及生物电子等排、骨架迁越原理等设计合成了一系列多靶点喹啉苯甲酰胺类活性小分子,药效活性检测发现化合物35 活性最佳,对HelaEca-109 A549 细胞的IC50值分别为1 040 37 2 16 μmol·L-1,强于舒尼替尼( IC50值分别为15 3011 96 9 31 μmol·L-1)

2 6 吡啶类化合物 克唑替尼( 化合物36) 是基于EML4-ALK 靶点的发现应运而生,是一种ATP 竞争性的多靶点TKIs,可有效抑制ALKMET 和ROS 的细胞生物活性,在相关激酶活性异常的肿瘤患者中显示出较高的临床疗效。作为辉瑞公司研发的第1 ALK 抑制剂,克唑替尼是肿瘤药物研发史上最快速的药物之一。2007 年研发,2011 年在美国上市后引起轰动,彻底改变了携带ALK 染色体重组的晚期NSCLC 患者的治疗。2016 FDA 又批准其可用于治疗携带ROS-1 基因突变的晚期( 转移性)NSCLC 患者。不幸的是,大部分患者在治疗后的12个月内对克唑替尼产生耐药性,并发生获得性耐药突变,在发生中枢神经系统转移的患者中的疗效更是十分有限。尽管最近几年已经不断涌现出多个疗效好、毒性低的第2 ALK 抑制剂,如色瑞替尼、阿来替尼( alectinib) brigatinib,这些药物也仅在最初对发生克唑替尼耐药的NSCLC 患者显示治疗效果,但很快耐药性也呈现出来。在这种情况下, Johnson等应用基于结构的药物设计策略,以亲脂性效率和分子量为重要优化指标,对克唑替尼进行结构改造,结合酰胺类大环结构活性与成药性的优越性,通过多次设计优化,最终得到了含有腈基吡唑结构的酰胺类大环化合物PF-06463922,即第3 ALK 抑制剂Lorlatinib ( 化合物37 ) Lorlatinib 专门针对克唑替尼及第2 ALK 抑制剂耐药的、发生中枢神经系统转移的NSCLC 患者,由于Ⅰ/Ⅱ期临床研究的疗效和安全性数据较好,2017 年被FDA 授予突破性药物资格,现已进入Ⅲ期临床研究阶段。

Vatalanib ( PTK787,化合物38) 是瑞士诺华制药公司和德国ScheringAG 公司早年合作开发的一个小分子抗血管生成剂,对于VEGF 家族的TKs活性均有不同程度的抑制作用。尽管在一项Ⅰ/Ⅱ期临床试验中,患者接受了vatalanib 联合FOLFOX4 方案化疗,取得中位PFS 11 2 个月,预期中位总生存期大于18 个月的效果,但由于在后续CONFIM-1 CONFIM-2 2 项Ⅲ期临床研究中并未表现出生存获益,该药物已终止研发。江苏恒瑞医药公司在vatalanib 原有的化学结构基础上进行改造,完整保留分子中的六元环、苯环中的吡啶甲基和对位取代基,将苯环转换为吡啶基团,来增强药物水溶解度以及渗透性,研发出全球第一个在治疗晚期胃癌( gastric cancerGC) 中被证实安全有效的小分子抗血管生成靶向药物———阿帕替尼( apatinib,化合物39)2014 年我国自主研制的“甲磺酸阿帕替尼片”获得CFDA 批准上市,用于治疗既往至少接受过2 种系统化疗后进展或复发的晚期胃腺癌或胃食管结合部腺癌患者,该药是胃癌靶向药物中唯一一个口服制剂,可有效提高患者治疗的依从性,并明显减低治疗费用。2017 3 月,EMA 已授予阿帕替尼治疗胃癌的“孤儿药”资格,加快其在欧盟国家的药物开发和临床研究。同时,LSK BioPharma 公司也通过了FDA IND 批准,即将启动其治疗胃癌的全球多中心Ⅲ期临床研究。吡啶类化合物的结构式见图6

2 7 吲唑类化合物 吲唑是一类重要的具有多种生物活性的含氮杂环化合物,特别在抗高血压和抗肿瘤药物研究领域表现尤为突出。帕唑帕尼( pazopanib,化合物40) 是葛兰素史克研发的小分子抗血管生成剂,可以通过抑制VEGFsPDGFsFGFs多个血管激酶来抑制血管生成,达到“饿死”肿瘤的目的,用于治疗晚期RCC 和软组织肉瘤( soft tissuesarcomaSTS)Song 等根据生物电子等排原理,在保留帕唑帕尼嘧啶环和苯磺酰胺基团的基础上,采用吲哚环替换吲唑环得到化合物MKP101( 化合物41 ) MKP101 不仅对多个血管激酶的抑制活性与帕唑帕尼相当,对EGF 的抑制活性也显著增强( IC50 = 43 nmol·L-1 ) ,这也为进一步扩大该类药物的适应证,特别是对EGF 介导的NSCLC 治疗提供了新的思路。

阿西替尼( axitinib,化合物42) 是辉瑞公司研发的一种多靶点TKIs 药物,临床主要作为其他药物治疗无效的晚期RCC 患者的二线治疗选择。为进一步增加其适应证,Pemovska 等发现阿西替尼可以结合药物耐受性BC-ABL1 蛋白,有效消灭患者体内衍生的药物耐受性白血病细胞,为真正改善CML带来新的契机。除帕唑帕尼和阿西替尼外,礼来公司研发的LY2874455 ( 化合物43 ) 作为可逆性FGFs 抑制剂,对多种晚期肿瘤均有良好疗效,现已进入Ⅱ期临床试验阶段。LY2874455 的分子结构主要由吲唑环、乙烯基吡唑支链以及吡啶乙醚支链组成。通过对LY2874455 FGF 晶型复合物的研究发现,吲唑环与激酶谷氨酸上的羰基和丙氨酸上的氨基形成氢键作用嵌入到ATP 口袋中; 乙烯基吡唑则是起到重要的疏水作用; 吡啶乙醚通过吡啶环上的N 原子与激酶天冬酰胺形成氢键延伸进疏水口袋中。另外,同样以吲唑为核心骨架的nazartinib(EGF816,化合物44) 作为第3 代的EGF 抑制剂,主要侧重于TM790 突变的NSCLC 患者的治疗,也已进入Ⅱ期临床试验。吲哚类化合物的结构式见图7

2 8 其他类化合物 除上述结构类型外,许多其他杂环骨架的小分子TKIs 在抗肿瘤方面也有着广泛的研究和应用。如具有吡咯并吡啶结构的维罗非尼( vemurafenib,化合物45 ) 、嘌呤结构的依鲁替尼( ibrutinib,化合物46) 、咪唑并哒嗪结构的普纳替尼( ponatinib,化合物47) 等。

肿瘤的发生发展与多个基因相关,单一靶点的抗肿瘤药物对于晚期患者的化疗效率不高。因此,作用于多个靶标的多靶点药物优势明显,能够较好地控制病情发展,而“脱靶效应”是目前多靶点药物的共性问题。Liu 等以普纳替尼为模板,在继续提高药物对FGFs 抑制活性的前提下,采用Cl 原子替代核心苯环上的甲基,并对氮杂环进行改造,将嘧啶环替换为吗啉环,进一步增强激酶选择活性,得到化合物48。化合物48 FGF1 /2 /3 的抑制活性为KD 50 100 倍,可有效减小药物的“脱靶效应”。Cui 等采用分子对接和SVM 高通量虚拟筛选,发现吖啶类化合物对SC 有一定的抑制活性,进一步充分结合尿素基团和氮杂环对激酶的亲和优势,通过结构改造得到对SC MEK 有双重抑制作用的化合物49,以及对SC EGF 有双重抑制活性的化合物50。化合物49 在浓度10 μmol·L-1时,对SC MEK 的抑制率分别为59. 67% 43. 23%

化合物50 在浓度10 μmol·L-1时,对EGF 的抑制率为33. 53%; 在浓度1 μmol·L-1时,对SC 的抑制率达到72. 12%。该研究结果可能为TKIs 类新骨架药物的研发开辟另一个方向。化合物45 50 的结构式见图8

3 展望

一直以来,抗肿瘤药物研发是医药学界以及各国政府医疗保障部门关注的热点,因此重大新药创制的重点和大多数药企创新药研发的方向都在此领域,以病理过程中关键作用酶或受体为靶点的分子靶向药物研究已逐渐成为该领域的主流趋势。随着现代科技发展和国内研发水平的不断提高,我国近年来对抗肿瘤药物的研发已经从最初的完全仿制阶段,到后来的“me-too”,“me-better”阶段,有的研发团队甚至已经达到了“me first”水平。尽管已有很多抗肿瘤药物已经上市或即将上市,但许多癌症患者的治疗仍不理想,寻求高效、低毒、抗耐药的新型酪氨酸激酶分子靶向药物的研发之路依然任重而道远。

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