金美花，孔德新

天津醫(yī)科大學藥學院 天津市臨床藥物關鍵技術重點實驗室、基礎醫(yī)學研究中心，天津 300070

20世紀末期到21世紀初期分子靶向藥物的出現(xiàn)是抗癌藥物研究進展的里程碑式的事件。分子靶向藥物是指作用于腫瘤細胞的特定分子靶點，對腫瘤細胞的增殖、侵襲、轉移等惡性生物學行為具有抑制作用從而產生抗腫瘤作用的藥物。這些分子靶點在腫瘤組織中特異性表達或者表達較高，而在正常組織不表達或表達較少。因此分子靶向藥物一般能夠選擇性地殺傷腫瘤細胞或抑制其生長增殖，而對正常細胞的毒性作用較小。

磷脂酰肌醇3-激酶 (phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K) 為一種由調節(jié)亞單位p85或p101和催化亞單位p110組成的脂激酶，通過催化磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,PIP2)磷酸化為磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate, PIP3)而激活下游的Akt等從而對細胞的增殖、生存和代謝等起關鍵作用。由于PI3K與癌癥等疾病的密切關系，以PI3K為靶標的抑制劑的開發(fā)引起了國際制藥界的高度重視。本文首先簡單介紹PI3K的功能和分類，然后就PI3K抑制劑的研究進展做一綜述。

1 PI3K的功能及與各種疾病的關系

PI3K是一個脂激酶家族，它們可催化PIP2磷酸化為PIP3而激活下游的Akt[1]。與PI3K的功能相反， 腫瘤抑制基因PTEN(phosphatase and tension homolog deleted on chromosome ten)使PIP3去磷酸化生成PIP2(圖1)。PI3K基因突變和擴增在癌癥中頻繁發(fā)生[2]以及PTEN在癌癥中缺失等都提示PI3K與腫瘤發(fā)生的密切關系[3]。

圖1 PI3K和PTEN的功能示意圖Fig 1 Schematic representation of the functions of PI3K and PTEN

PI3K依其結構和磷酸化底物的不同被分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種類型。I型PI3K是由一個調節(jié)亞單位p85和一個催化亞單位p110組成的二聚體，一般催化PIP2磷酸化而生成PIP3。Ⅱ型PI3K包含三個成員，分別為PI3KC2α、PI3KC2β和PI3K2?,它們一般磷酸化磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol, PI)和磷脂酰肌醇4-磷酸(phosphatidylinositol 4-phosphate,PIP)，其功能主要與膜運輸?shù)扔嘘P。Ⅲ型PI3K只有一個成員Vps34(vacuolar protein sorting 34)，它磷酸化PI生成磷脂酰肌醇3-磷酸。Vps34關于胞吞作用和囊泡運輸?shù)墓δ芤褟V為人知。近年來又有報道關于Vps34與自噬的關系：它對于自噬現(xiàn)象的發(fā)生是不可或缺的。由于迄今為止功能研究最多的是I型PI3K，因此人們通常所說的PI3K就是I型PI3K。另外，雷帕霉素靶體蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)和DNA依賴性蛋白激酶(DNA-dependent protein kinase, DNA-PK)等蛋白激酶結構與p110相似，所以有時被分類為IV型PI3K。I型PI3K依它們的調節(jié)亞單位和上游調節(jié)分子的不同又分為IA和IB兩個亞類。IA亞類PI3K可被各種受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase, RTK)和Ras激活， 包括PI3Kα、PI3Kβ和PI3Kδ三個亞型，分別由各自的催化亞單位p110與調節(jié)亞單位p85組成。IB亞類PI3K?由催化亞基p110?和調節(jié)亞基p101或p84組成，它主要被G蛋白耦聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor, GPCR)激活。關于各種亞型PI3K的體內分布，PI3Kα和PI3Kβ在各種器官均有表達，而PI3Kδ和PI3K?主要分布在骨髓細胞中。四種亞型的功能也有所不同，由于被報道的癌癥患者中PI3K基因的變異均為編碼p110α的基因PIK3CA的變異，因而PI3Kα被認為在腫瘤發(fā)生中起著重要的作用。另外PI3Kα還與胰島素信號傳導和葡萄糖代謝有關。PI3Kβ亞型可激活血小板，因此在血栓性疾病的發(fā)展中起著重要的作用；此外，PI3Kβ近年來被報道在PTEN缺失的癌癥患者中起著比PI3Kα亞型還重要的作用。PI3Kδ和PI3K?與炎癥和免疫等有密切的關系[4,5]。

PI3K作為治療腫瘤的靶點引人注目，是因為它位于眾多重要信號通路的關鍵性的信號位置[4,5](圖2)。PI3K被RTK或Ras激活后催化PIP2生成PIP3。PIP3與Akt和3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶(3-phosphoinositide dependent protein kinase, PDK)等蛋白激酶結合，激活并將其募集到細胞膜。Akt除了直接被PIP3激活以外，還會被PDK和mTORC2(mTOR complex 2)所激活。Akt可通過抑制GSK3來穩(wěn)定細胞周期素D1(cyclin D1)的表達以及抑制FOXO調節(jié)的周期素依賴性蛋白激酶(cyclin dependent kinase, Cdk)抑制劑p27的轉錄而促進細胞周期的進行；Akt還通過抑制BAD (Bcl2-antagonist of cell death) 維持細胞生存；又可磷酸化mTORC1來促進蛋白質的合成和細胞生長[6]； 還可通過mTORC1上調缺氧誘導因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)而促進血管生成[5]。但是mTORC1/S6K通路又負性調控胰島素受體底物(insulin receptor substrate, IRS)[5]，所以mTORC1的阻斷會激活上游蛋白如PI3K和Akt，從而減弱它們的抑制能力，這也是單純抑制mTOR靶點的缺點[5]。

圖2 PI3K/Akt信號通路在癌癥發(fā)生中的作用Fig 2 The PI3K/Akt pathway in tumorigenesis.

如上所述，PI3K在腫瘤發(fā)生中起著非常重要的作用，因此PI3K抑制劑作為抗腫瘤藥物的開發(fā)引起了制藥界的高度重視。

2 PI3K抑制劑的研究進展

LY294002 和Wortmannin是兩種經典的PI3K抑制劑，它們雖顯示了一定的體內和體外抗腫瘤作用，但由于分別引起皮膚和肝臟毒性以及溶解度與穩(wěn)定性等原因, 未能進入臨床試驗[5]。

2004年一篇發(fā)表在《Science》上關于PIK3CA變異在各種癌癥中被發(fā)現(xiàn)的報道[2]引起了廣大制藥界科研工作者的興趣，也打響了PI3K抑制劑開發(fā)競賽的發(fā)令槍。PI3K晶體結構的闡明更加速了PI3K抑制劑的藥物設計和發(fā)現(xiàn)過程。此后，專一性更強的新型PI3K抑制劑不斷出現(xiàn)。這些抑制劑大體可分為PI3K亞型特異性抑制劑、泛PI3K抑制劑和PI3K/mTOR雙重抑制劑，見表1。

CAL-101(IC87114)是Calistoga公司開發(fā)的一種PI3Kδ特異性抑制劑, 其IC50為0.5 μM, 是PI3K? IC50的58倍，PI3Kα和PI3Kβ IC50的100多倍[5]。由于PI3Kδ在炎癥中的重要作用，最初關于CAL-101的藥理研究集中在其抗炎和治療自身免疫性疾病上。CAL-101顯示出了對炎癥和小鼠哮喘模型的治療效果。由于PI3Kδ主要在骨髓細胞中表達，CAL-101用于治療白血病的研究近幾年來受到重視。研究表明CAL-101可抑制急性骨髓性白血病細胞的增殖，同時并不影響正常造血細胞的增殖。此外，與mTOR抑制劑RAD001或拓撲異構酶II抑制劑VP16聯(lián)合用藥，能夠顯著提高它們抑制白血病細胞增殖的效果[5]。CAL-101已進入治療白血病的臨床Ⅱ期試驗。

NVP-BEZ235是Novartis公司開發(fā)的一種PI3K/mTOR雙重抑制劑。它抑制PI3Kα、β、δ和?的IC50分別為4、76、5和7nM[7]。在體外，NVP-BEZ235強力地抑制腫瘤細胞的增殖，且誘導G1期細胞周期阻滯[7]?？诜o藥對PC-3M和U-87MG裸鼠移植瘤模型等顯示出良好的抗癌作用且沒有顯著的毒副作用。NVP-BEZ235針對乳腺癌、前列腺癌和腦腫瘤治療的臨床I/II期試驗正在進行中。BKM-120是Novartis公司開發(fā)的另一個PI3K抑制劑，與NVP-BEZ235的雙重抑制PI3K和mTOR的性質不同，BKM-120只對PI3K有抑制活性，是一種單純的泛PI3K抑制劑[8]。BKM-120已進入臨床Ⅱ期試驗。

GDC-0941是Genentech公司開發(fā)的泛PI3K抑制劑。其對PI3Kα、β、δ和?的IC50分別為3、33、3和75nM，但對mTOR無明顯抑制作用[9]?？诜盟帉Χ喾N裸鼠移植瘤模型顯示良好的抗癌作用。而且與多西他賽等聯(lián)合用藥，可明顯增強其療效。GDC-0980是該公司開發(fā)的另一種PI3K抑制劑，它與GDC-0941的區(qū)別在于對mTOR也有抑制作用，是一種PI3K/mTOR雙重抑制劑[8]。GDC-0941和GDC-0980均已進入臨床I期試驗。

ZSTK474是由Zenyaku Kogyo公司和日本癌研究會合作開發(fā)的一種泛PI3K抑制劑。ZSTK474對PI3Kα、β、δ和?的IC50分別為16、44、5和49nM[10]。在體外ZSTK474可抑制39種人癌細胞系的細胞增殖，其GI50(達到50%增殖抑制所需的藥物濃度)為0.32 μM[11]。與多數(shù)其它PI3K抑制劑類似，可誘導各種腫瘤細胞的細胞周期停滯在G1期，且沒有出現(xiàn)明顯的細胞凋亡。其阻滯細胞周期的機理可能歸因于cyclinD1的失活、p27表達增加和pRB的去磷酸化作用[8]。有研究者曾系統(tǒng)研究了ZSTK474的體內和體外抗血管生成作用[12]。ZSTK474 可抑制腎癌細胞RXF-631L中HIF-1α的表達和VEGF的分泌，而且抑制血管內皮細胞的增殖、遷移和體外小管形成(圖4A)。在體內試驗中顯著抑制了RXF-631L裸鼠移植瘤小鼠腫瘤組織中的毛細血管數(shù)。ZSTK474口服用藥對多種裸鼠移植瘤模型顯示出良好的的抗腫瘤效果(圖4B)，現(xiàn)正在進行臨床I期試驗評價[8]。

表1 臨床試驗中的主要PI3K抑制劑[5,7-14]Tab 1 Main PI3K inhibitors in clinical trials[5,7-14]

圖3 幾種PI3K抑制劑的化學結構式Fig 3 The chemical structure of several PI3K inhibitors

3 討論

關于單純的PI3K抑制劑與PI3K/mTOR雙重抑制劑孰優(yōu)孰劣的問題一直是從事PI3K研發(fā)的制藥業(yè)界關心的問題。雖然有些研究報告的結論為后者優(yōu)于前者，理由是在所設計的一些體外試驗中后者的抗癌效果更好[15]，但這種結論尚需更多和更深入的實驗來證明。另外PI3K/mTOR雙重抑制劑常常也對DNA-PK有抑制作用[16]，這種抑制作用會否產生副作用？雖然動物試驗證實了兩種類型抑制劑均為安全的，但兩者在臨床試驗中的安全性是否有差異？這些問題還是需要臨床試驗的最終結果來解答。從我們介紹的進入臨床試驗的PI3K抑制劑可以發(fā)現(xiàn)，幾個研發(fā)PI3K抑制劑的主要制藥公司，包括Novartis、Genentech和Exelixis，不約而同地將兩種類型的PI3K抑制劑都推向臨床試驗，恰恰是因為臨床前試驗的結果并不能充分證明哪一種類型更好。

A. 對血管內皮細胞血管生成的抑制作用：對血管內皮細胞HUVEC遷移和小管生成的抑制作用；B. 對裸鼠WiDr移植瘤模型的抗腫瘤作用A. Anti-angiogenic effect of ZSTK474 on endothelial cells: the inhibitory activities on HUVEC(human umbilical vein endothelial cells)migration and tube formation. B.In vivo antitumor efficacy of ZSTK474 on WiDr xenograft.圖 4 ZSTK474的體內外抗腫瘤作用Fig 4 Antitumor activities of ZSTK474 in vitro and in vivo.

同樣一直在爭論的問題是泛PI3K抑制劑和PI3 Kα亞型特異性抑制劑孰優(yōu)孰劣的問題。因為只有編碼PI3Kα的基因被發(fā)現(xiàn)在癌癥中出現(xiàn)變異，出于泛PI3K抑制劑可能出現(xiàn)副作用的考慮，PI3Kα亞型特異性抑制劑的開發(fā)一直是一些制藥公司的目標。但迄今為止進入臨床試驗的PI3K抑制劑中尚沒有一個真正的PI3Kα特異性抑制劑?？紤]到PI3Kβ等已被報道在PTEN缺失的癌癥中的作用比α亞型更重要，因此從抗癌效果的角度來考慮，理論上泛PI3K抑制劑比PI3Kα特異性抑制劑應該更好一些，當然這也需要臨床試驗的結果來證實。

除PI3K抑制劑單獨用藥外，與其它藥物或療法的聯(lián)合治療研究近年內有很多報道。包括與細胞毒類藥物的聯(lián)合用藥、與其它分子靶向藥物的聯(lián)合用藥以及與放射線療法的聯(lián)合治療等?，F(xiàn)在一般認為PI3K抑制劑的主要抗腫瘤作用在于其抑制細胞的生長增殖而不是殺死癌細胞，所以與細胞毒類藥物或放療的聯(lián)合應用理論上應能增強其抗癌效果。最近的一篇論文報告了ZSTK474與放療的聯(lián)合治療，其效果比單獨應用ZSTK474和單獨放療顯著提高，且未發(fā)現(xiàn)嚴重的副作用[17]。這種與放療聯(lián)合治療的效果也經NVP-BEZ235的研究得到證明。GDC-0941與細胞毒類藥物多西他賽的聯(lián)合應用也收到較好效果[18]。近年來PI3K抑制劑與分子靶向藥物MEK抑制劑的聯(lián)合應用也有很多報道，包括NVP-BEZ235和GDC-0941等PI3K抑制劑都表現(xiàn)出與MEK抑制劑協(xié)同作用的效果[19]。

現(xiàn)在一些PI3K抑制劑如NVP-BEZ235、XL-765和XL-147等的臨床I期試驗初步結果已經發(fā)表，這些化合物的安全性基本上沒有問題。隨著臨床試驗的繼續(xù)深入，其單獨以及與其它藥物聯(lián)合用藥用于腫瘤治療的有效性將會被揭曉。讓我們一起期待新型分子靶向藥物PI3K抑制劑的誕生。

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