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IDO小分子抑制劑的研究進展

2020-06-08 02:46毛耀南任敬慧
實用藥物與臨床 2020年2期
關(guān)鍵詞:血紅素吲哚色氨酸

毛耀南,于 萍,任敬慧,蔡 進*

0 引言

吲哚胺2,3-雙加氧酶(Indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO)是腫瘤免疫治療的關(guān)鍵靶點之一。近年來,IDO小分子抑制劑引起了研究者的廣泛關(guān)注。本文主要針對IDO抑制劑的作用機制和進展進行闡述,總結(jié)其研究現(xiàn)狀。

1 IDO簡介

吲哚胺2,3-雙加氧酶1 (Indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO1)是一種含有血紅素的酶,在人體的大多器官和細胞中均有表達,在胎盤、肺的內(nèi)皮細胞以及女性生殖道上皮細胞中較多[1]。IDO1有2個同工酶,分別是色氨酸雙加氧酶(Tryptophan 2,3-dioxygenase,TDO)和吲哚胺2,3-雙加氧酶2 (Indoleamine 2,3-dioxygenase2,IDO2),TDO在腫瘤免疫逃逸中發(fā)揮一定作用,而IDO2在免疫耐受中的機制還有待探究[2](除特殊說明,本文的IDO均指IDO1)。IDO催化色氨酸(Tryptophan,trp)降解為犬尿氨酸(Knurenine,kyn)途徑的第一步以及限速步[3],在分解色氨酸的代謝途徑中起到重要作用。其中犬尿氨酸可直接抑制效應(yīng)T細胞的功能并促進調(diào)節(jié)性T細胞(tregs)分化;而通過消耗色氨酸,IDO阻斷T淋巴細胞的增殖[4],通過多種途徑發(fā)揮免疫抑制的作用,保護癌細胞免受免疫系統(tǒng)的識別和攻擊,其作用機制見圖1。腫瘤細胞的免疫逃逸是腫瘤生存的一個重要機制。有報道,IDO表達水平的增加與幾種癌癥類型的生存預后不良相關(guān)[5],表明IDO通路阻斷是一種抗腫瘤的重要策略,因此,IDO是腫瘤免疫治療的關(guān)鍵靶點之一。

IDO結(jié)構(gòu)分2個區(qū)域。大區(qū)域中的4條長螺旋平行于血紅素平面,并通過疏水作用與相鄰的螺旋相互作用,其中某一長螺旋為血紅素鐵提供內(nèi)源性配體。血紅素的近端僅被來自大區(qū)域的側(cè)鏈占據(jù);血紅素遠端口袋由大小2個區(qū)域及連接2個區(qū)域的環(huán)路組成[6]。由于分子氧在該位點結(jié)合,因此,遠端血紅素袋的結(jié)構(gòu)特征應(yīng)該與IDO催化的雙加氧酶反應(yīng)有關(guān)。

2 IDO小分子抑制劑作用機制

圖1 IDO發(fā)揮免疫抑制的機制

目前,研究已經(jīng)鑒定了部分IDO抑制劑的結(jié)構(gòu),但是可提供與IDO結(jié)合機制有關(guān)見解的比較有限。下面對幾種目前研究較多的IDO抑制劑的作用機制進行論述。

2.1 充當色氨酸模擬物 上個世紀研究者已開始對IDO抑制劑作為色氨酸模擬物機制的研究[7]。Cady等[8]在研究中發(fā)現(xiàn),3種色氨酸類似物抑制劑能夠有效抑制IDO。與色氨酸類似,這些抑制劑可與IDO的催化位點結(jié)合。Metz等[9]提出,IDO抑制劑在調(diào)節(jié)mTOR(哺乳動物雷帕霉素靶蛋白)中作為有效的色氨酸模擬物。IDO分別通過GCN2(一種反應(yīng)激酶)和mTOR影響必需氨基酸缺乏,控制炎癥反應(yīng)和免疫耐受,而Indoximod(代表性IDO抑制劑)可能通過控制許可mTOR所需的色氨酸信號,從而減輕免疫抑制,在體外細胞實驗中,明顯減輕了IDO介導的抑制T細胞增殖,并具有很好的體內(nèi)抗腫瘤效應(yīng)。最近開發(fā)的具有微摩爾抑制IDO活性的色氨酸衍生物有四氫-β-咔啉類衍生物[10]、色胺衍生物[11]等。但其沒有色氨酸類似物達到亞微摩爾活性,可能是因為色氨酸本身對IDO1僅有中等親和力,因此,開發(fā)IDO1抑制劑更好的方法是模擬轉(zhuǎn)變酶反應(yīng)的狀態(tài),即需要考慮鐵結(jié)合的分子氧[4]。

2.2 與IDO中血紅素鐵相互作用 Kumar等[12]通過IDO活性部位區(qū)域,探索基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計,并探討了苯基咪唑型化合物;隨后Kumar 進入NewLink 公司并開發(fā)了咪唑異吲哚系列IDO抑制劑。Sugimoto等[6]發(fā)現(xiàn)了一種有效的IDO抑制劑,其結(jié)構(gòu)中的4-苯基咪唑與血紅素口袋A(血紅素的主要結(jié)合位點)結(jié)合,苯環(huán)插入親脂性空腔中,并且咪唑環(huán)的1個氮原子與血紅素鐵相互作用,并且結(jié)合位點可以延伸至鄰近的疏水口袋B。此外,Peng等[13]研究了IDO抑制劑類似物結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)信息表明,苯基咪唑和咪唑并吲哚類的環(huán)平面在活性位點上的取向稍有不同,但抑制劑中咪唑氮與血紅素鐵原子配位并與周圍殘基發(fā)生疏水相互作用,并且通過幾種類似化合物的對比,發(fā)現(xiàn)具有較好IDO抑制作用的化合物與血紅素也形成強分子間氫鍵。若沒有與血紅素基團的氫鍵相互作用,就沒有IDO1的抑制作用,表明IDO抑制劑在發(fā)揮作用時與IDO建立氫鍵的重要性。

2.3 氧化還原作用 R?hrig等[4]研究顯示,具有醌或亞氨基醌官能團的化合物在酶促IDO抑制測定中顯示出高活性。醌類化合物可通過還原輔因子進行氧化還原循環(huán),或通過對親核氨基酸側(cè)鏈的化學反應(yīng)來抑制IDO,如甲萘醌抑制IDO的機制源于其氧化還原活性。但是氧化還原循環(huán)化合物不僅會影響色氨酸降解的犬尿氨酸途徑,還會干擾許多其他細胞途徑,因此,應(yīng)該避免使用醌類化合物來抑制IDO。

2.4 其他作用機制 根據(jù)結(jié)合部位的不同,IDO抑制劑可分為競爭性抑制劑和非競爭性抑制劑。Liu等[14]研究顯示,Epacadostat不影響IDO蛋白質(zhì)水平,表明此抑制劑抑制了IDO酶活性而未抑制其在細胞中的表達。通過人類異同種異基因淋巴細胞與樹突細胞或腫瘤細胞的共培養(yǎng),結(jié)果顯示,Epacadostat促進效應(yīng)T細胞和機體重要免疫細胞——自然殺傷細胞的生長,且減少tregs分化。另外,在人類樹突細胞中,高濃度的Epacadostat可完全抑制色氨酸到犬尿氨酸的降解。

此外,研究表明,IDO非競爭性抑制劑具有微摩爾范圍的抑制效力[15]。非競爭性抑制劑是與雙加氧酶活性必要的分子氧競爭,從而發(fā)揮抑制IDO的作用。最近,也有關(guān)于此類IDO抑制劑化合物的探究。

2.5 IDO小分子抑制劑的研究現(xiàn)狀 目前,研究者發(fā)現(xiàn)并合成了大量具有IDO抑制作用的小分子化合物,但是國內(nèi)外還沒有IDO抑制劑上市,研究較快的為Incyte公司的Epacadostat、BMS公司的BMS-986205,在美國均處于臨床Ⅲ期[16]。表1為處于臨床階段的代表性抑制劑,其中已知的結(jié)構(gòu)式如圖2。

表1 臨床階段IDO抑制劑

圖2 臨床IDO抑制劑結(jié)構(gòu)

IDO抑制劑的作用機制及構(gòu)效關(guān)系表明,理想的IDO抑制劑應(yīng)包含以下特征:①1雙環(huán)片段填充口袋A;②帶有電子對的原子(如S、O、N)與血紅素鐵結(jié)合;③大配體中的基團能夠與口袋B形成起范德華作用力;④與IDO上特定結(jié)構(gòu)建立起氫鍵的片段[12]。目前,選擇性好、活性高且比較受關(guān)注的IDO抑制劑見表1。

3 IDO抑制劑

3.1 吲哚類 吲哚類IDO抑制劑一般作為色氨酸的類似物,也是IDO 抑制劑中最先開發(fā)的一類化合物。目前開發(fā)中的吲哚類化合物大多以色氨酸為主體進行結(jié)構(gòu)修飾,修飾范圍幾乎覆蓋了所有可修飾的基團[17]。其中有代表性的化合物見圖3。1-methyl-tryptophan(1-MT)即indoximod(圖3A)是較早報道的一種IDO抑制劑,目前處于NewLink公司研究的臨床Ⅱ期階段。研究顯示,indoximod具有良好的藥代動力學特征及口服利用度、低清除率、低蛋白結(jié)合率的特點,可與多種化療藥物如環(huán)磷酰胺、順鉑、阿霉素或紫杉醇顯示協(xié)同作用[18]。Hatem等[19]在對晚期癌癥患者的indoximod劑量遞增研究中,給患者施以2次/d大于1 200 mg劑量,結(jié)果顯示,其具有良好的耐受性。

Tanaka等[10]等合成了一系列色氨酸類似物,并評估其對IDO抑制的活性,發(fā)現(xiàn)了幾個有效的化合物(圖3D),其IC50均為40~70 μmol/L。為探索新型IDO抑制劑,Gaspari等[20]通過篩選帶有吲哚基團的分子,最終發(fā)現(xiàn)一種中等活性的競爭抑制劑天然產(chǎn)物brassinin(圖3E)。其將brassinin分為4個部分,并分別合成4個組分的類似物,通過構(gòu)效關(guān)系評價brassinin的4個部分,發(fā)現(xiàn)吲哚環(huán)并不是IDO抑制劑所必需的;同時,在S-甲基用較大芳香基取代得到活性較好的抑制劑,其體外效力比1-MT強3倍,但其疏水性太高。其結(jié)構(gòu)式見圖3F。

圖3 吲哚類IDO抑制劑結(jié)構(gòu)

3.2 芳基咪唑類 芳基咪唑類的典型代表即Genentech公司的Navoximod(圖2D),目前,臨床Ⅰ期研究已完成。在咪唑系列抑制劑中,navoximod具有口服生物利用度和優(yōu)越的藥代動力學特性。在臨床前模型中,其極大地增強了針對B16黑素瘤的免疫應(yīng)答,在接種后4 d內(nèi)腫瘤的大小減少了約95%[21]。作為單一療法,其在21/28 d周期內(nèi)以2次/d高達600 mg給藥,耐受性良好,17例患者中,有7例患者病情穩(wěn)定。

芳基咪唑系列抑制劑起源于1989年確定的4-苯基咪唑(4-PI)(圖4A),作為IDO1酶活性的弱非競爭性抑制劑,后經(jīng)晶體學分析證實4-PI與IDO活性位點的血紅素鐵作用[6],引起了研究者對于芳基咪唑類IDO抑制劑及其作用機制的關(guān)注。Kumar等[12]探討了4-PI及其一系列衍生物,發(fā)現(xiàn)3種比4-PI高效的化合物,其結(jié)構(gòu)見圖4B。對于苯環(huán)上的羥基或巰基取代,確定對設(shè)計的芳基咪唑類似物的親和力增加來自特定的蛋白質(zhì)-配體相互作用,而不是配體電子效應(yīng)。這也是首個基于IDO晶體結(jié)構(gòu)開發(fā)酶抑制劑的報道。

圖4 芳基咪唑類IDO抑制劑結(jié)構(gòu)

近期研究顯示,一系列稠合的苯基咪唑衍生物(圖4C)作為IDO抑制劑,在5H-咪唑并異吲哚核心上,具有環(huán)己基-乙醇官能團并顯示較好活性(IC50低于10 μmol/L)[22]。

3.3 羥基脒類 目前,羥基脒類IDO抑制劑研究最快的為epacadostat,處于臨床Ⅲ期階段,其結(jié)構(gòu)見圖2A。作為臨床先導藥物,在臨床Ι期的藥代動力學、藥效學和抗腫瘤活性研究中發(fā)現(xiàn)其具有良好的耐受性,可使血漿中犬尿氨酸水平正?;痆23]。近期Ⅱ期臨床研究表明,在骨髓增生異常綜合征患者中,epacadostat能夠穩(wěn)定患者(12/15)病情達12個月。

此臨床藥物的開發(fā)源于2009年,Incyte公司將羥基脒化學構(gòu)型作為IDO抑制劑中的關(guān)鍵藥效團設(shè)計了一系列此類化合物[24]。圖5A、圖5B顯示了其他活性較高的幾種化合物。最近Incyte公司根據(jù)構(gòu)效關(guān)系,在圖5A基礎(chǔ)上設(shè)計了一系列新的化學型IDO抑制劑,化合物結(jié)構(gòu)包含了羥基脒和以前未充分認識的呋咱等,活性較好的化合物見圖5C、圖5D。已證明圖5D的化合物在嚙齒動物黑色素瘤模型中有效,且在臨床前毒理學研究中具有良好的耐受性[16]。

圖5 羥基脒類IDO抑制劑結(jié)構(gòu)

3.4 醌類 2008年,受天然產(chǎn)物annulin B(圖6A)的啟發(fā),Kumar等[25]將萘醌作為關(guān)鍵藥效團,通過小鼠腫瘤模型證明萘醌天然產(chǎn)物中甲萘醌具有通過IDO抑制介導的抗腫瘤活性,并合成和表征了系列基于萘醌的IDO抑制劑,其中活性較好的見圖6B、圖6C。2013年,Eduard等[26]研究一種海洋生物堿tsitsikammamine衍生物對IDO1的抑制活性,效果較好的系列化合物見圖6D、圖6E,化合物圖6E已顯示亞微摩爾效能。

雖然有不少關(guān)于醌類化合物的研究,但這系列抑制劑中沒有進入臨床試驗,因為醌的抑制效力在體內(nèi)具有總體衰減傾向,且在基于細胞的測試中這些化合物的毒性太高。

圖6 醌類IDO抑制劑結(jié)構(gòu)

3.5 其他類 Lin等[27]開發(fā)了一系列基于磺酰肼核心結(jié)構(gòu)的IDO抑制劑,并公開了一種強有效IDO抑制劑(圖7A)的研究進展,在小鼠模型中2次/d經(jīng)口給藥100 mg/kg,腫瘤重量減少30%。藥效學試驗發(fā)現(xiàn),其使血漿和腫瘤中kyn/trp分別降低25%和21%。Matsuno等[28]發(fā)現(xiàn),S-芐基異硫脲(圖7B)具有抑制IDO的效力,隨后對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)了抑制作用的2種化合物(圖7C),兩者均抑制A431細胞中犬尿氨酸的產(chǎn)生?;诩t花葉子提取物除治療冠狀動脈疾病、血栓等疾病外,還用于癌癥的治療,其化合物對于IDO降解色氨酸有一定的影響,Kuehnl等[29]提取并分離出3種化合物(圖7D),對IDO有一定的抑制活性。

圖7 其他類IDO抑制劑結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

自從IDO被鑒定為癌癥治療的有效靶點以來,許多團隊和研究人員致力于發(fā)現(xiàn)新的IDO抑制劑。近年來,通過基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計、高通量篩選以及天然產(chǎn)物篩選等方法,研究者發(fā)現(xiàn)了幾種新的IDO抑制劑骨架。在這些結(jié)構(gòu)中,羥基脒和奎寧類似物對IDO具有抑制活性[23],值得進一步修飾,以在臨床試驗中獲得更有效的抑制劑,并有助于探究IDO抑制劑的更多結(jié)構(gòu)。除了IDO單藥治療的安全性外,臨床前數(shù)據(jù)顯示,IDO抑制劑有助于克服化療耐藥性[30],且IDO在腫瘤細胞中普遍表達促使人們研究IDO抑制劑與其他化療藥物的組合治療。此外,也可考慮靶向IDO及其同工酶的組合,開發(fā)新的治療方案。但是2019年4月,Incyte公司和BMS公司停掉的一部分臨床研究說明IDO抑制劑研究領(lǐng)域仍然存在很大的挑戰(zhàn)性。此外,IDO抑制劑的藥效團有限且明確的作用機制不多。隨著對IDO抑制劑結(jié)構(gòu)、作用機制及臨床適應(yīng)證研究的增加,IDO抑制劑在免疫療法和抗腫瘤方面可能發(fā)揮越來越重要的作用。

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