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紫薯博士专栏 | FDA批准的52个小分子激酶抑制剂汇总及耐药机制和研发新挑战

紫薯博士药时代专栏第42篇作品。“药时代靶点说”系列。

紫薯博士专栏 | FDA批准的52个小分子激酶抑制剂汇总及耐药机制和研发新挑战


2017年与2018年迎来靶向
小分子激酶抑制剂审批的爆发,各有8个新的小分子实体激酶抑制剂获得FDA批准,为历年之最。2019年则回归常态,有5个获批。

截至2020年1月1日,FDA总共批准52个小分子激酶抑制剂(SMKI)。过去的20 年里,蛋白激酶成为最重要的疾病干预靶点,约占制药企业研发资源的20~33%。

本文对蛋白激酶小分子抑制剂进行汇总分类,并对激酶抑制剂的耐药机制和未来研发方向进行探讨。

蛋白激酶

蛋白激酶是细胞生命活动的重要信使,可催化将ATP末端的γ-磷酸基团转移至底物上,影响底物的结构和活性,传递各种胞内外信号,以对环境刺激作出适当反应。在大多数情况下,这一磷酸化反应发生在蛋白激酶的丝氨酸(ser)、苏氨酸(thr), 或酪氨酸(tyr)残基上。磷酸化调控生命活动在进化上非常古老,可追溯到10 亿年前的单细胞原核生物。

在人体中发现了至少538种蛋白激酶,而编码具有激酶活性蛋白的基因则超过900个,约占人类基因组的2.5%。蛋白激酶参与众多的生理调控过程,包括细胞存活、增殖、分化、凋亡、代谢,等等。病理学及药理学研究表明,蛋白激酶的功能失调与很多疾病密切相关,包括肿瘤、自身免疫、炎性反应、中枢神经系统疾病、心血管疾病及糖尿病,等等。

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图1 蛋白激酶的功能与分类

对于蛋白激酶的研究始于20世纪50年代。随着70、80年代Tony Hunter教授首先发现酪氨酸激酶以来,有关小分子激酶抑制剂的研究开始迅速发展,对阐明激酶的功能及作用机理起了重要作用,同时激酶抑制剂也成为重要的药物研发热点之一。

造成蛋白激酶活性失调的主要因素包括基因突变、染色体重排融合、过量或失量表达等。过去的二、三十年间,蛋白激酶已经被证明是一个理想的药物干预靶点。

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图2 Tony Hunter教授的胡子与蛋白激酶

 

小分子激酶抑制剂分类、汇总

蛋白激酶根据转移磷酸基团的氨基酸不同可分为两大类,即丝氨酸/苏氨酸激酶、酪氨酸激酶。根据功能的不同,蛋白激酶则可以分为7类,即AGC激酶类——包括PKA、PKC 和PKG;CaM激酶类——包括钙调蛋白酶;CK1类——包括酪蛋白1;CMGC类——包括 CDK、MAPK、GSK3 和CLK;STE类 ; TK酪氨酸激酶类;TKL类。

还可进一步细分,例如,根据酪氨酸激酶是否位于细胞表面,可将90个酪氨酸激酶分为受体酪氨酸激酶(RTK,58个)和非受体酪氨酸激酶(NRTK,32个)。受体酪氨酸激酶又可以细分为20个亚类。

蛋白激酶在三维结构上具有高度的保守性,特别是在ATP结构域附近。该区域N端-lobe包括一个由5个β-折叠和一个α-螺旋构成的区域,而C端-lobe区域主要由8个α-螺旋构成,而ATP结合在两者之间构成的沟状区(hinge area),也是多数激酶小分子抑制剂的直接结合位点。

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图3 蛋白激酶的结构与小分子激酶抑制剂的分类

根据结合方式的不同,小分子激酶抑制剂可分为不可逆及可逆两大类型。不可逆的激酶抑制剂通过与赖氨酸(Cys)反应形成共价键占据ATP结合位点,从而封闭ATP的结合空间。

可逆的激酶抑制剂根据结合口袋区域及DFG序列构象的不同,可分为四种主要的不同亚型。类型Ⅰ竞争活性态激酶构象;类型Ⅱ竞争非活性态的激酶构象;类型Ⅲ竞争ATP附近别构位点;类型Ⅳ竞争ATP远端别构位点。

截至2020年1月1日,FDA总共批准了52个小分子激酶抑制剂类药物,其中多数 (40个)为酪氨酸激酶抑制剂,10个丝氨酸/苏氨酸激酶抑制剂和2个脂激酶类抑制剂。

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图4 FDA历年批准的小分子激酶抑制剂

根据激酶靶点及药物属性的不同,将小分子激酶抑制剂分类汇总如下:

FDA批准的不可逆小分子激酶抑制剂
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FDA批准的可逆非受体型酪氨酸小分子激酶抑制剂

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FDA批准的可逆受体型酪氨酸小分子激酶抑制剂——EGFR、HER2

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FDA批准的可逆受体型酪氨酸小分子激酶抑制剂——VEGFR

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FDA批准的可逆受体型酪氨酸小分子激酶抑制剂——ALK

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FDA批准的可逆受体型酪氨酸小分子激酶抑制剂——其它

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FDA批准的丝氨酸/苏氨酸小分子激酶抑制剂类药物

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FDA批准的脂激酶小分子抑制剂

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激酶靶向疗法的耐药机制 
激酶靶向疗法的主要适应症在于癌症,52个获批的激酶抑制剂中有46个的主要适应症是实体瘤或血癌。与其它的抗癌疗法类似,几乎所有的抗癌靶向激酶治疗都会产生耐药。其耐药性机制主要可以分为两大类,一类来自靶点激酶本身(on-target),包括过量表达和耐药突变。另一类与靶点本身不直接相关,而是通过旁路信号途径实现耐药 (by-pass)。旁路耐药机理相对分散。而基于靶点本身的耐药突变多有规律可循。

竞争ATP结合口袋的类型I及类型II的小分子激酶抑制剂总体上的结构及结合激酶的方式多有类似之处。而突变经常发生在化合物与激酶ATP结构域附近有直接相互作用的位点。比如N-端的铰链区,有一个很重要的氨基酸残基,叫门控位点(gate keeper),多数早期的激酶小分子均与门控位点有直接相互作用,而门控位点突变经常是一代激酶抑制剂耐药突变频发的位置,如EGFR、ABL、ALK、RET等的一代激酶小分子多诱导此位点的突变。

ATP结合口袋活性位点附近还存在一条Activation-Loop,通常末端存在一个保守的Asp-Phe-Gly (DFG) 结构序列。这个位点也是突变常发区域,甚至有时发生在不与激酶小分子直接结合的较远端。

另一个突变多发位点为溶剂前沿区域(solvent-front)。许多激酶小分子与这个区域直接相互作用,特别是ALK、ROS1、TRKA/B/C、RET的TKI经常产生这个位置的突变。

不可逆的激酶小分子的耐药突变多为赖氨酸(Cys)突变,直接破坏化合物与激酶的共价结合位点,其它的与结合部位直接相关的突变相对较少。比如,EGFR 和BTK的不可逆激酶小分子诱导产生的耐药突变就主要发生在与之发生共价交联的赖氨酸上。

III型和IV型别构激酶抑制剂在其结合位点附近也会产生耐药突变,突变的氨基酸位置与类型I、II非常不同,但也主要发生在与小分子化合物有直接接触的地方。

同时,随着SMKI的贯续使用越来越普及,多重、复合的耐药突变开始出现。比如经过二代、三代ALK TKI使用后,患者开始出现双重,甚至三重突变,如ALK G1202R/L1196M,门控突变与溶剂前沿突变同时出现,已知的ALK TKI均不能有效抑制这个双重突变,是一个未有解决方案的临床需求。

通过提高小分子激酶抑制剂的活性,改变化合物的骨架结构,从而可以系统性地克服激酶获得性耐药,这就是二代、三代和下一代SMKI的任务。随着同一激酶靶点获批药物的增加及液体活检的普及,临床医生和患者得以方便的选择合适的药物来克服耐药突变,从而达到最大程度的临床获益。

下面的图表小结了几种不同靶向激酶经常出现的共同突变位点。

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激酶靶向小分子研发新趋势
  • 后线转前线

一般来讲,二代、三代靶向SMKI吸取前代药物设计的经验,多选用不同的化合物骨架,除了能够克服一代药物的耐药性外,其活性也多有大幅提高。这样的药物推到一线,许多情况下能够比一线药物疗效更佳。比如:

罗氏的非小细胞肺癌ALK激酶小分子抑制剂Alectinib,于2015年首先获批用于二线Crizotinib耐药的患者,疗效与其它的ALK二代类似。然而Alectinib推进一线的最新临床实验数据显示,与最早获批的一线Crizotinib相比,中位无进展生存期(PFS)提高了2倍多(34.8 vs 10.9个月)!其它的ALK二线TKI如Ceritinib、Brigatinib的PFS推到一线时也均有大幅提高。

Exelixis的Cabozantinib 2016年获批用于二线肾细胞癌患者。2017年12月19日进一步获批用于一线,是第一个在头对头临床实验中比辉瑞的Sunitinib表现出更优疗效的VEGFR小分子抑制剂。

最新的例子还包括,阿斯利康的EGFR小分子抑制剂Osimertinib最早获批用于非小细胞肺癌二线EGFR T790M门控突变耐药患者,疗效显著且大幅领先竞争对手。Osimertinib与一线EGFR TKI Erlotinib或Gefitinib的头对头疗效比较的临床数据显示PFS大大延长,接近翻倍(18.9 vs 10.2个月),从而获批用于一线。

当然也有例外,比如BCR-ABL的抑制剂二代,二线百时美施贵宝的Dasatinib非常成功,活性比一线,一代CML神药Imatinib提高了过百倍,但Dasatinib与Imatinib的一线头对头比较并没有表现出疗效上的显著提高,主要原因可能在于Dasatinib的疗效窗口并没有提高很多。

  • 克服耐药的闭环路线尝试

随着同一靶点药物不断更新换代,特别是新颖骨架结构的引进,使得在克服耐药性方面开始出现一些系统性的良性闭环。比如,三个二代ALK抑制剂均产生较高比例的溶剂前沿耐药突变(Solvent front),能够较好地被ALK三代药物Lorlatinib克服。而Lorlatinib产生的一个重要耐药突变L1198F,能够被一代Crizotinib有效克服。这样的良性闭环能够给患者带来极大的方便和贯续用药的灵活性。

另一个例子如EGFR的三代新药Osimertinib已经获批用于一线,它的Cys耐药突变理论上能够被现在的一线EGFR TKI药物克服,而随后可能产生的门控突变T790M能够进一步被Osimertinib克服。如此,部分患者也能够形成良性用药闭环。当然,对于复合耐药突变像L858R/T790M/C797S仍然需要新药,而大环药物BI-4020的临床前研究显示出不错的潜力。

  • 合理的组合疗法

FDA 已经批准的小分子激酶抑制剂药物中有多个靶点已经包含成功的组合疗法,包括几对BRAF 加MEK抑制剂用于治疗黑色素瘤,或非小细胞肺癌;CDK4/6 抑制剂加雌激素受体抑制剂治疗乳腺癌。

最近,Array的MEK1/2i、BRAFi与EGFR抗体的三联疗法在结直肠癌取得成功,是被辉瑞收购的主要原因。

而肾细胞癌最近也是组合疗法的天下。多种免疫疗法相关的组合击败前标准sunitinib,包括2019年4月19日获得FDA批准的Axitinib与PD-1抗体pembrolizumab的联合疗法。

而另一种组合方式,竞争ATP结合位点的I型或II型小分子激酶抑制剂与别构抑制剂的组合疗法在临床前的临床实验中展现出良好的治愈潜力,即慢性淋系白血病突变融合激酶靶点ABL的别构抑制剂Asciminib(ABL001)与Ponatinib、Imatinib或Dasatinib的组合,其临床实验正在进行,几个初步的临床案例分析非常积极。

合理的组合尝试仍旧是进一步提升靶向激酶疗法获益的主要努力方向之一

  • 间歇给药的尝试

以前介绍过VEGF的小分子抑制剂Sunitinib的间歇给药临床实验尝试,初步显示的疗效非常积极,PFS翻倍还多。虽然临床实验人数尚少,但趋势却非常明确。

对于毒性较大的靶点,间歇给药也许是一个有效,可行的临床研究方向。对于像CDK4/6 、VEGFR、FGFR1这样具有较高直接靶向相关毒性的靶点,临床上经常已经包含了用药假期,总体上来讲,这些多是被动的。如何主动设计更多的间歇给药的尝试,进一步提高靶向药物的安全获益比,是一个有潜力的方向。

  • 泛组织、广谱型的激酶靶向小分子的临床开发

已经获得FDA批准的46个与癌症相关的SMKI多有明确的特定肿瘤组织的适应症。最近的临床实验开始有较多是基于致癌突变特征,而非组织特异性设计。例如NTRKs 抑制剂Larotrectinib,Entrectinib, FGFR的TKIs临床实验等。Larotrectinib和Entrectinib则成为首批获FDA批准的非组织依赖性的广谱型靶向激酶小分子药物。

 

小 结

科研人员解析了超过5000个蛋白激酶或蛋白激酶-复合物的晶体结构,为进一步筛选、设计新的激酶小分子抑制剂提供了巨大的便利。超过五分之一的激酶靶点有相应的小分子抑制剂,正在进行临床试验的激酶小分子超过250 个。FDA已经 批准的52个小分子激酶抑制剂中,超过10个在2019年销售已经超过或达到10亿美元的重磅标准,不久的将来还会产生更多的重磅药物,进一步说明激酶靶点的重要性

靶向激酶小分子的主要适用对象是肿瘤领域。FDA批准的52 个激酶小分子药物,只有6个主适应症不是肿瘤。深入开发SMKIs的非肿瘤适应症也是一个有潜力的方向。JAK1选择性抑制剂在自身免疫方面临床数据喜人,是一个主要突破点。

与大分子药物相比,靶向激酶小分子药物均为口服,使用方便,价格相对便宜,特别是专利过期后费用会大幅下降,对患者和支付系统都非常友好,在较长的时间里仍将是药物研发的重要组成部分。

参考文献:

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10. https://www.fda.gov/Drugs/DevelopmentApprovalProcess/DrugInnovation/ucm537040.htm

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作者:紫薯博士

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