自噬诺奖一周年 | 靶向自噬的肿瘤药物研发前景浅析

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自噬诺奖一周年 | 靶向自噬的肿瘤药物研发前景浅析

撰文 |紫薯

2017年10月1日

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自噬诺奖一周年 | 靶向自噬的肿瘤药物研发前景浅析

1963 年,比利时科学家 Christian de Duve 首次提出自噬(Autophagy)的概念 。当时,包 括 Duve 在内的科学家首次观察到细胞能破坏自身成分,用膜将这些成分包裹,形成袋状囊泡并转移给溶酶体(lysosome)进行降解回收。但之后自噬机制研究一直没有突破。溶酶体的研究倒是进展迅速。

1974 年,Christian de Duve 因发现溶酶体而分享诺贝尔生理学或医学奖。

1997 年,日本科学家大隅良典 (Yoshinori Ohsumi) 首次在酵母细胞中克隆出第一个自噬相关的基因,ATG13 [1]。随后,大隅良典研究了数千种变异酵母细胞,鉴别出了15 个对自噬至关重要的基因 (迄今科学家总共发现了至少 30 个 ATGs [2])。基本阐明了自噬的大致过程和机制。

2016 年 10 月 3 日,大隅良典因发现细胞自噬机制获诺贝尔生理学或医学奖 [3]。

自噬获诺奖能够加速其临床开发利用吗,特别是在抗癌方面的应用?

抗癌相关自噬发现年表 [4]。

Timeline of the major discoveries that led to targeting of autophagy in cancer

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自噬机制简介

目前普遍认为,自噬是一种应激和防御机制。

细胞通过形成自噬体,装载待处理的废物,与溶酶体结合,降解,消化受损,变性,衰老,甚至相对正常的细胞、细胞器、蛋白、核酸等,为细胞重建,再生和修复提供必须原 料,从而实现细胞的再循环利用 [2]。

自噬既是胞内的垃圾处理厂,同时也是废物回收站。

自噬小体的形成与保守的 ATG 基因直接相关。其过程可以分成几个步骤:

自噬体的起始、核化、延伸、成熟、融合、降解等 [4]。

General autophagy pathways

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在起始阶段,自噬体接受生成信号并传送至隔离膜产生部位,并在此募集自噬体生成关键 起始前及随后的起始复合物。随后经过核化-隔离膜的生成,膜的延伸和闭合。进而,自噬体形成后与溶酶体融合,由溶酶体释放酸性水解酶来降解自噬体装载的待处理物品,最 后回收利用降解后的氨基酸,脂肪酸,核酸等基本重建单位 [2]。

自噬的主要生理功能因而包括:营养和能量平衡;消除受损或多余的细胞器;清除易于变异的蛋白聚合体,病原体等等。

自噬体的形成受多种信号调控,最主要的是核心调控分子mTORC1,感受营养缺乏,或能量不足的相关信号。

可以在自噬多个不同的时段促进或抑制自噬作用的进程 [4]。

Interventions that target autophagy

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自噬与凋亡的关系

自噬是细胞内的“自食”,“self-eating”,凋亡是“自杀”,“self-killing”。

二者共用诸多相同的应激因素(如营养缺乏,缺氧等)和调节蛋白(如 Bcl-2,PI3K, AKT,P53 等)。但诱发阈值不同,转换和协调的详细机制尚不明确。但一般来说,自噬发生,完成的时间早于凋亡,是先有一个“自食其力”,挽救细胞死亡的过程。假如胁迫信号能够及时去除,自噬很快就可以停止,而许多细胞凋亡的过程也能够逆转。

过多的自噬有时会引起细胞死亡,曾经叫做 II 型程序化死亡,但最终与传统的程序化死亡也没有实质的差别,现在这个叫法也不流行了。

假如将细胞凋亡直接相关的基因敲除,如 Bax-/- /Bak-/- , APAF-1 -/- 等,细胞能够在没有营养的培养液中,通过自噬存活达几星期到几个月之久,而正常的细胞饥饿几天就要凋亡了。

这从另一方面说明了二者的紧密联系。也使人联想到肿瘤细胞在饥饿的时候也许可以通过自噬维持生存。

自噬和凋亡都是靠模式动物起家,发家和成为诺家的。细胞凋亡最初用的是秀丽线虫,以 及后来的酵母和果蝇。自噬则主要是酵母。

当然,就连二者的研究人员很多时候也是同一帮人。15-20 年前,最热的生物学研究莫过于细胞凋亡,凋亡高峰过后,许多人又顺路赶上10 年前自噬的大潮。

癌症发生与自噬的关系

一般认为,自噬能够预防早期癌症的发生。正常生理条件下或者应激时,细胞自噬通过吞食,消化变异,老化的细胞,细胞器,错误折叠的蛋白等,有利于细胞保持自稳状态,预 防癌变细胞的产生。 失去这些保护措施会增加癌变机会 [4,5]。

但是一旦癌症已经发生,活跃的自噬作用则能够促进肿瘤细胞的生长 [4,5]。特别是肿瘤细胞的生长需要消耗大量的资源,应对不利的生长环境时,经常需要通过自噬来提供更丰富,或多渠道的营养。

因此,在肿瘤发生发展的过程中,细胞自噬具有多面性。(包括可能很多时候是中性)。

自噬的关键基因 ATGs 在癌症发生过程中极少会发生突变。最早有报道 ATG6 缺失经常与肿瘤发生相关,仔细分析发现是因为相邻的BRCA1的突变才是癌变的主要驱动因素。这也许间接说明 ATGs 不是强的抑癌基因

许多自噬相关的抑制剂在临床前的试验中证实有一定的抗肿瘤作用 [4]。

Examples of drugs targeting autophagy/lysosome in cancer

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靶向自噬的抗癌临床试验

Chloroquine(CQ, 氯喹) 和 HCQ 是仅有的进入临床研究的靶向自噬化合物 [4]。其作用机理在于引起溶酶体的去酸化,使得自噬小体不能与溶酶体融合,无法完成装载物的降 解。CQ引起溶酶体酸化的更详细机理尚不清楚。迄今已经开始的CQ或HCQ的抗肿瘤临 床试验超过 50 个,基本都是学术界的PI主导开展的。

初步的临床试验结果表明,CQ 或 HCQ 的安全耐受良好,特别是没有发现神经退行相关 的副作用 (在小鼠中敲出某些 ATG 基因会发生)。HCQ 作为 CQ 的代谢物之一,在峰值浓度的毒性比 CQ 更低。所以我们看到更多 HCQ 的组合临床试验。总体疗效的报道是正面 的。但多数临床试验的患者入组人数较少,试验结果有待进一步验证。也有不少试验并没有观察到有效的疗效 [4,5,6]。

根据历史经验,由学术界主导赞助的成功的临床试验成例子不多,印象中只有 Keytruda 最近获批的基于 MMR (mismatch repair) 广谱抗癌适应症是真正学术界 PI 主导成功的。 估计制药公司可能不会有太多兴趣去开发 CQ 或 HCQ 的抗肿瘤用途。CQ 最初于 1934 年 被发现。二战的需求促进了其开发,1947 年获批进入临床应用,治疗疟疾。但很快就出 现大规模的耐药性。现在多数地方已经弃用 CQ 用于疟疾。如果 CQ 能够成功开发成抗肿瘤药物,它必定是最便宜的抗癌药之一。在发展中国家,它每个剂量售价才 4 美分。美国 售价 5.3 美元 [7]。

当然,CQ 类抑制剂选择性也不高,它还可以在高浓度时破坏 DNA,抑制血管生成等。 即使有抗肿瘤效果,也不一定是完全通过抑制自噬起作用。更何况,CQ 的靶点在溶酶体,溶酶体除了与自噬直接相关,还有许多其它功能,抑制溶酶体的活性也不等同于抑制自噬。

除了 CQ,我们还有更有效的替代物,lys05。或者更具选择性的早期的自噬靶点抑制剂可以尝试,如靶向 VPS34,ULK1,ATG4B 等 [4]。

Open clinical trials targeting autophagy-dependent cancers

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促进自噬治疗癌症?

主流的观点认为抑制自噬可以促进癌细胞的死亡。大部分的临床试验也依此设计的。但也 有部分科学家认为抑制自噬治疗癌症不是一个好主意,代表人物如 Kroemer,认为抑制自噬会损伤具抗癌作用的 T 细胞的功能。背后的机理是说肿瘤细胞死亡过程中的自噬是具 免疫原性细胞死亡所必需的,是免疫系统有效识别凋亡的癌细胞所需要的 [8,9]。

更进一步,Kroemer 利用热量限制模拟 (Caloric restriction mimetics),可以有效的促进自噬,和改善抗癌免疫监视能力。二者是否是强因果关系,不是非常明确。反对的研究也有 报道。

自噬标志物

靶向自噬也要精准。最近的研究表明,自噬依赖 (autophagy addiction or autophagy dependence)的肿瘤细胞对自噬抑制更敏感 [4]。较新的临床试验开始检测自噬信号与有效治疗的联系。这个也许对自噬成功抗癌的应用至关重要。这也是个性化抗癌新时代的趋 势。

只是,现在还没有特别可靠的自噬标志物 [4,5]。

小结

自噬对癌症的影响具有明显的两面性 (two-faced role),是一把双刃剑。一刀切 (one size fits all)的方法可能行不通。

自噬干扰单用效果非常有限。联用策略包括,先用一下自噬的抑制剂组合,组合对象可以 是化疗, 放疗,靶向疗法,有效果最好。不行,再用一下激活剂与免疫疗法的组合,有作用最好,无效的话,that’s it for autophagy。

自噬的促进剂,现成的小分子药物就有 (如 Bcl-2 的抑制剂,mTOR 的抑制剂等),是否能 够通过自噬起作用,尚待进一步临床验证。等不急的也有替代办法,禁食,锻炼就能很好的促进自噬作用 [10]。

运动,锻炼有困难的,有人也给出了替代方案,服用保健品,如海藻糖也可以促进自噬 [11]。?!?

总之,自噬的抗癌应用前景: 水很浑,一锅粥。自噬的抗癌前景任重道远,还要再沉淀一 段时间才清楚。期望诺奖效应能够促进自噬干扰的临床应用。

(理解不到的地方,恳请指正。)

参考文献:

  1. Analyses of APG13 gene involved in autophagy in yeast, Saccharomyces cerevisiae. Funakoshi, T., Matsuura, A., Noda, T. & Ohsumi, Y. Gene. 1997, 192, 207–213.

  2. Digesting the expanding mechanisms of autophagy. Ktistakis NT, Tooze SA. Trends Cell Biol. 2016, 26: 624–635.

  3. The Nobel Assembly. The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award the 2016 Nobel Prize in Physiology or Medicine to Yoshinori Ohsumi https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2016/press.html (2016).

  4. Targeting autophagy in cancer. Levy JMM, Towers CG, Thorburn A. Nat Rev Cancer. 2017, Sep;17(9):528-542. doi: 10.1038/nrc.2017.53. Review.

  5. Recent insights into the function of autophagy in cancer. Amaravadi, R., Kimmelman, A. C. & White, E. Genes Dev. 2016, 30, 1913–1930.

  6. Therapeutic Targeting of Autophagy. Towers CG, Thorburn A. EBioMedicine. 2016 Dec;14:15-23. Review.

  7. https://en.wikipedia.org/wiki/Chloroquine.

  8. Autophagy-dependent anticancer immune responses induced by chemotherapeutic agents in mice. Michaud M, et. al. Science. 2011. Dec 16;334(6062):1573-7.

  9. Autophagy and cellular immune responses. Ma, Y., Galluzzi, L., Zitvogel, L. & Kroemer, G.. Immunity. 2013, 39, 211–227.

  10. Exercise-induced BCL2-regulated autophagy is required for muscle glucose homeostasis. He, C. et al. Nature, 2012, 481, 511–515.

  11. Trehalose inhibits solute carrier 2A (SLC2A) proteins to induce autophagy and prevent hepatic steatosis. DeBosch, B. J. et al. 2016, Sci. Signal. Feb 23;9(416).

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