JAK-STAT 信号通路靶向药物浅析

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JAK-STAT 信号通路靶向药物浅析

撰文 |紫薯

2017年9月18日

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JAK-STAT 信号通路靶向药物浅析

受到其选择性JAK1小分子制剂upadacitinib(ABT-494)积极的临床数据的提振,AbbVie股票上周连涨3天,公司市值增加了超过100亿美元。

JAK/STAT通路有潜力诞生多个重磅药物?

JAK-STAT信号通路

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JAK-STAT信号通路简介

JAK-STAT通路主要由四个部分组成:(1)胞外信号因子、(2)受体、(3JAK激酶、(4)信号转导及转录激活蛋白(STAT)。JAK-STAT是除了第二信使系统外最重要的信号途径[1]

胞外信号:包括干扰素、白细胞介素、生长因子等等。

受体:JAK-STAT通路相关受体的共同特点是受体本身不具有激酶活性,而是通过胞内结构域与酪氨酸激酶JAK结合。通过JAK的活化来磷酸化各种靶蛋白的酪氨酸残基以实现信号从胞外到胞内的转递。这与受体酪氨酸激酶的信号传导方式非常不同。

JAK激酶JAK激酶家族的蛋白共有4个,包括JAK1 JAK2JAK3TYK2

不同的受体结合选择不同的JAK蛋白。其选择特异性也各不相同。比如IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15、IL-21等通过共用的γ-链(γ-chainγc),只特异性地结合JAK3来传递信号。其它的受体亚基能够通过不同的JAK结合来传递信号,如gp130亚基能够结合JAK1JAK2TYK2

进一层的选择性则由受体亚基的配对来决定,如γc受体亚基只与与JAK1结合的受体亚基选择配对。JAK2相关的生长因子和激素类细胞因子受体则具有独特的自配对属性,这也是后面提到的选择性JAK2抑制剂的科学依据[2]

从功能获得性(gain of function)表达或突变分析来看,不同的JAK都与血液癌症相关。同时,JAK1JAK3 更多的与免疫调节有关,JAK2则与红细胞和血小板的生成直接相关。从功能缺失(loss of function)分析来看,JAK1JAK2 功能缺失会造成老鼠胚胎致死,在人体中尚未发现JAK12功能缺失相关的疾病,也许间接表明了JAK1/2 生理功能的重要性。JAK3功能缺失会造成严重的综合免疫缺陷,这也是后面提到的靶向JAK3,从而调节自身免疫相关疾病的依据[3, 4]TYK2 的功能研究较少,有报道其会引起与内在免疫相关的缺陷(hyper-IgE syndrome)

JAK function and expression in human diseases

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信号转导及转录激活蛋白STAT

人体中有7STAT基因,即STAT12345A5B6

JAK激酶通过结合受体感受胞外的信号,如干扰素、白细胞介素、生长因子等,并将信息传送到STATs。磷酸化的STATs能够从胞内转移到细胞核。而每种不同的STAT结合到各不相同的启动子DNA序列上。启动子会控制其DNA序列表达,引起DNA转录与活性水平发生改变,进而影响细胞生长、分化及死亡等基本细胞功能。

不同的STAT主管的功能既有重复又不尽相同。如STAT1主要与IFNγ介导的病毒和癌症免疫直接相关,PD-1/PD-L1介导的T-细胞激活及杀伤癌细胞很大程度上是通过IFNγ介导的STAT1通路。同时,STAT1又与其它的STATs协调其它的诸多功能 [4]

STATs and the main cytokines that activate them

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值得一提的是,一种JAK激酶可以参与多种细胞因子的信号转导过程,一种细胞因子的信号通路也可以激活多个JAK激酶,但细胞因子对激活的STAT分子却具有一定的选择性。例如IL-4激活STAT6IL-12特异性激活STAT4IFNγ 激活STAT1EPO激活STAT5等。

Overview of JAK–STAT signaling in host defense and cellular homeostasis

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JAK-STAT途径在进化过程中是非常保守的,从黏菌和蠕虫到哺乳动物(但真菌或植物则不是)。若JAK-STAT的功能被打乱或异常上调,会导致自身免疫,免疫缺陷,癌症等疾病。

这里,我们按照药物发现批准的先后顺序重点介绍JAK靶点相关药物。

靶向JAK2JAK1/JAK2治疗血液癌症

JAK2 V617F突变在骨髓增生性肿瘤MPN)中的发现大大促进了JAK2抑制剂的开发 [5]

MPN是一组以骨髓中异常造血祖细胞增殖为特征的慢性疾病。 MPN包括骨髓纤维化myelofibrosisMF)、真性红细胞增多症(polycythemia vera PCV)、原发性血小板增多症(essential thrombocythemia ET)和慢性髓细胞白血病(chronic myelogenous leukemia CML)。

大约95%PCV患者,和50-60%MFET患者都发现有JAK2 V617F单氨基酸突变。这个突变发生在假性的JH2激酶区域(pseudokinase domain),引起了JAK2构象改变,造成了不依赖胞外细胞因子信号的JH1激酶区域的持续激活,进而引起细胞增生和血液癌症 [6]

JAK2 V617F 突变

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Ruxolitinib最初由Incyte开发,是一个JAK1/JAK2小分子激酶抑制剂。于201111月获得FDA批准,用于治疗中,高危的骨髓纤维化MF2014年进一步获批用于真性红细胞增多症PCVRuxolitinib能够达到缓解JAK2 V617F 突变引起的脾脏增大(Splenomegaly),减轻患者虚弱的症状[7]

JAK2突变或过量表达致癌除了高发于MPN,在其它的血液癌症中也有一定比例。如在高危B-ALL中,大约有10%患者含有JAK2 致癌突变(20/187)。Ruxolitinib在这些B-ALL患者中的初步应答非常积极。同时,在淋巴瘤中也有一定比例的JAK2突变或过量激活,Ruxolitinib在淋巴瘤的临床试验结果还没有报道。

Ruxolitinib的毒副作用主要包括贫血,血小板减少症,中性粒细胞减少症和腹泻等。多为JAK1/JAK2直接靶向相关毒性。JAK2/STAT5 调控的下游信号包括细胞凋亡靶点Bcl-2家族蛋白,如Bcl-2、Bcl-XL等。所以我们看到的二者靶向毒副作用非常相似。

由于ruxolitinib不能够减少变异血癌细胞的JAK2V617F突变负荷 (allele burden),所以ruxolitinib几乎不能带来治愈 [8]。新一代的MPN药物开发重点集中在JAK2 选择性的抑制剂,期望能够降低由于靶向JAK1引起的过多副作用的同时增加疗效。

曾经的先锋官SanofiJAK2选择性抑制剂fedratinib在二期临床及三期临床早期在MPN耐药患者上显示出非常出色的疗效。却因为有多个患者发展出严重的副作用——韦尼克脑病(encephalopathy),于2013年底被FDA迅速叫停了7个相关的临床试验。Fedratinib夭折的同时,也吓到了一大批跟fedratinib结构类似的JAK2抑制剂。迄今都还不清楚这个脑病副作用是怎么来的。与靶向JAK2有没有直接相关。为什么ruxolitinib没事?这也间接使得ruxolitinib减少了竞争对手而获益。虽然多个选择性的JAK2抑制剂都能够在MPN 上得到较好的疗效,但迄今还没有第二个JAK2抑制剂获得批准。问题的关键在于毒性的控制。最近临床进展较快的JAK2 选择性抑制剂包括pacritinibmomelotinib, [2]

Ruxolitinib2016年的销售约为700 MEvaluatepharma乐观的预测ruxolitinib2022年的销售可以达到2.9 Billion,可能提前预加了其在器官移植(graft vs host disease (GVHD))及自身免疫疾病上的潜力。

JAK 获批及在研小分子抑制剂

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靶向JAK3治疗自身免疫疾病

JAK3特异性的在造血细胞表达,是白细胞介素(IL-2、4、7、9、1521信号通路的关键组成部分,主要调控淋巴细胞发育和存活。JAK3 功能缺失会造成淋巴细胞减少,引起严重的免疫缺陷。这为开发JAK3选择性抑制剂提供了科学依据,可以用于治疗自身免疫相关的疾病。

这里有个小插曲。

JAK3作为免疫抑制剂的潜力最早由NIH免疫学John O’Shea1994年发现。NIH联系到辉瑞,希望成立一个公私合作共同开发JAK3 选择性抑制剂,条件是将来的药价能够给患者更多折扣。辉瑞没有答应。1996年,NIH在合同中划掉了对药价补偿约定的条款。二者开始合作解析JAK3的结构及与其受体的调控功能。后来辉瑞完成了先导化合物的筛选,优化,临床前及大型临床试验,号称总共花了1Billion

辉瑞开发的JAK3选择性抑制剂tofacitinib201211月获得FDA批准用于RA定价一个月$2055。据说超高药价当时震惊了许多人,引来一番热议。

Tofacitinib是最早进行临床试验的JAK抑制剂,但却晚于ruxolitinib获得批准。RA上的主流治疗方案是TNF的单抗,成就了多个重磅,和史上新的药王(Humira)。但有相当多数量的患者对TNF单抗耐药或不应答,而tofacitinib能够在这些耐药患者中产生良好的应答[9,10]

Tofacitinib除了有JAK3活性外,还有相对弱一些的JAK1活性,及更弱一些的JAK2活性。JAK1 JAK2 的活性增加了tofacitinib的疗效,但同时也带来了较为严重的副作用。Tofacitinib背着诸多的黑框标识,严重影响了其早期的销售。2016tofacitinib的销售为$9.27 亿美元,比2015年增加了77%。以1 billion美元为重磅标准,tofacitinib今年销售达到重磅应该是板上钉钉。

靶向JAK1治疗自身免疫疾病

JAK3曾经是人们公认的JAK/STAT通路中较为安全有效的抗自身免疫靶点。但最新的临床研究动向显示JAK1选择性抑制剂可能是比JAK3更安全有效的靶标。

JAK1选择性抑制剂ABT-494filgotinib在临床中显示出与tofacitinib类似的疗效,但安全性有所提高,特别是淋巴细胞减少(lymphopenia)的症状大大缓解 [4]。当然,还需要更多的临床数据进一步验证选择性JAK1抑制剂的风险获益比。至少目前,市场认为JAK1是更安全有效的靶点。重磅药物好像更有潜力。AbbVieABT-494的积极数据三天涨了10 Billion

其它

Ruxolitinib除了在MPN显示疗效外,初步的临床试验也证明其在RA上的疗效。Incyte重新设计了一下Ruxolitinib,推出Baricitinib,一个新的JAK1/2抑制剂,与礼来共同开发RA等自身免疫上的应用。最初的临床设计绝对是冲着重磅去的。截止20168月,共开了36个临床试验,完成了24个。Baricitinib今年二月在欧盟获得批准。但由于担心安全性和剂量问题,FDA于今年四月拒绝了baricitinibNDA上市申请。Baricitinib的前景变得不明朗起来。

具备重磅潜力的JAK抑制剂

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小结:

JAK/STAT通路作为第二重要的信号中转站,要处理的信息错综复杂。幸运的是通过筛选选择性的JAK抑制剂,我们能够达到目标疗效的同时,安全性还能够有所保障。已经获批的两个JAK小分子抑制剂ruxolitinibtofacitinib也是激酶小分子设计的典范:

选择性好、活性高的同时,分子量小到极致,均只有300 Da 出头。应该是选择性激酶小分子里最小的了吧。

有道是,唯小不破。

不久的将来,JAK/STAT通路的小重磅药物数量应该是大于等于3

——延伸阅读——

JAK 激酶名称的来历:JAK-STAT 信号通路靶向药物浅析

梵蒂冈博物馆

杰纳斯(Janus)是罗马神话中的天门神,也叫两面神,他的头部有前后两副不同的面孔,可以同时看着两个不同的方向。一副是年轻人的面孔,看着未来;一副是老年人的面孔,看着过去。他同时也是一个时间神,当太阳升起时,便把天门打开,让阳光普照大地;到了晚上又把天门关上,黑暗便降临到人间。人们为了纪念他,就把一年中的第一个月献给了他,称为Januarius,即杰纳斯之月。

与之对应的JAK激酶(Janus kinase),最直接的映对是有两个激酶区域,JH1active kinase domain)和JH2 pseudo kinase domain),JH1具有激酶活性,JH2 不具激酶活性而具有调控活性,映射Janus的两个面孔。同时,JAK既与上游的受体作用,又与下游的STAT作用,具有传递连接信号的两面性。

Janus是罗马本土最原始的神。罗马士兵出征时,都要从象征Janus的拱门下穿过,后来拱门发展成四方双拱门,即欧洲各国后来的凯旋门形式。

参考文献:

1.A road map for those who don’t know JAK-STAT. Aaronson DS, Horvath CM. Science. 2002, 296 (5573): 1653–5.

2.The promise of Janus kinase inhibitors in the treatment of hematological malignancies. Senkevitch E, Durum S. Cytokine. 2017 Oct;98:33-41.

3.JAK-STAT Signaling as a Target for Inflammatory and Autoimmune Diseases: Current and Future Prospects. Banerjee S, Biehl A, Gadina M, Hasni S, Schwartz DM. Drugs. 2017 Apr;77(5):521-546.

4. The emerging safety profile of JAK inhibitors in rheumatic disease. Winthrop KL. Nat Rev Rheumatol. 2017 May;13(5):320. doi:10.1038/nrrheum.2017.51.

5.A gain-of-function mutation of JAK2 in myelo proliferative disorders. Kralovics R, Passamonti F, Buser AS, et. al. N Engl J Med. 2005 Apr 28;352(17):1779-90.

6.JAK2 V617F and beyond: role of genetics and aberrant signaling in the pathogenesis of myelo proliferative neoplasms. Oh ST, Gotlib J. Expert Rev Hematol. 2010 Jun;3(3):323-37.

7. Janus kinase inhibitors: an update on the progress and promise of targeted therapy in the myelo proliferative neoplasms.Stein BL, Crispino JD, Moliterno AR. Curr Opin Oncol. 2011 Nov;23(6):609-16.

8.Does ruxolitinib prolong the survival of patients with myelo fibrosis? Cervantes F, Pereira A. Blood. 2017 Feb16;129(7):832-837.

9.Placebo-controlled trial of tofacitinib monotherapy in rheumatoid arthritis. Fleischmann R, Kremer J, Cush J, et. al. N Engl J Med. 2012 Aug 9;367(6):495-507.

10. Tofacitinib or adalimumab versus placebo in rheumatoid arthritis. van Vollenhoven RF, Fleischmann R, Cohen S, et al. N Engl J Med. 2012 Aug 9;367(6):508-19.

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作者: 紫薯

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