紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结

 

紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结
最近披露的ASCO临床数据摘要:默沙东报道了其去年收购Peloton得到的诺奖靶点HIF-2α小分子别构抑制剂MK-6482的最新II期临床进展,在61个末线肾细胞癌患者中,有17名部分应答,中位客观缓解率ORR为27.9%,初步数据非常积极。
 
直接靶向HIF-2α的别构抑制剂在临床上是新颖有效的干扰手段。本文这里小结一下靶向HIF-2α的起源及最新进展。
 
 

  HIF的作用机制

 

缺氧诱导因子(Hypoxia-Inducible Factors,HIF)转录复合体由Gregg L. Semenza和他的博士后研究员Guang Wang于1995年发现。2016年,Gregg L. Semenza和William Kaelin Jr.,Peter J. Ratcliffe凭借阐明HIF-1在氧传感及在低氧条件下的作用而获得了拉斯克奖。2019年,这三位研究人员因共同阐明了HIF如何感测和适应细胞对氧气供应的反应而获得诺贝尔生理学或医学奖。
 
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The 2019 Nobel Prize in Physiology or Medicine is awarded jointly to William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe and Gregg L. Semenza “for their discoveries of how cells sense and adapt to oxygen availability.”

 
HIF信号级联反应介导低氧状态对细胞的影响。缺氧常使细胞分化停止。然而,低氧促进血管生成,对于胚胎和肿瘤中血管系统的形成非常重要。伤口中的缺氧还促进角质形成细胞的迁移和上皮的恢复。
 
HIF-2α的活性受氧依赖的缺氧诱导因子脯氨酰羟化酶(PHDs)的控制。当氧的利用率高(正常氧)时,这些酶会羟化氧依赖域上特定脯氨酸的残基,形成VHL(von Hippel–Lindau)的底物识别位点。VHL识别HIF-2α的羟基化修饰构象形式,与之结合,并将其通过蛋白酶体快速降解。在缺氧条件下,PHDs没有足够的氧气底物来催化HIF-2α的羟基化,而VHL无法结合未经修饰的HIF-2α。结果,HIF-2α积累并转移到核中,与组成型表达的芳烃受体核转运子(ARNT,也称为HIF-1β)异二聚化形成活性转录因子复合物。该复合物识别DNA上的缺氧反应元件(HRE),导致数种蛋白表达增加,诸如EPO、VEGF等,协调调节血管生成、增殖、迁移和免疫逃逸。
 
紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结
Members of the human HIF family
 
VHL蛋白是E3泛素连接酶复合物的一个成员,该复合物介导蛋白酶体降解特定的蛋白。VHL的主要作用是降解调节由HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α组成的转录因子的低氧诱导因子(HIF)家族。其它受VHL调控的蛋白还包括RNA聚合酶II、MET等。
 
VHL基因经常会发生突变失活,由此造成的VHL综合征属于显性遗传癌症,易患眼、脑、脊髓、肾、胰腺和肾上腺的各种恶性和良性肿瘤。VHL综合征发生的原因在于随着VHL蛋白活性的丧失,HIF-α在肿瘤细胞内部累积,并与HIF-β形成二聚体。HIF-α/HIF-β复合物通过转录激活数百种基因,从而促进了对低氧的适应。同时,低氧与肿瘤的发展有关,可以被肿瘤劫持以帮助肿瘤存活和生长。
 
总之,HIF的调控机制还是非常特殊,多数信号调控机制是生理需求,按需生产;而HIF则是“未有需存奢,常备防患劫,降解严调控,缺氧立可得”。
 
紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结
How cells sense and adapt to oxygen availability
 

  HIF-2α别构抑制剂的发现

 

HIF-2α是HIF转录因子家族的成员之一,其活性异常是透明细胞肾细胞癌ccRCC)等癌症的关键致癌驱动因素。这些癌症的标志性特征是HIF-2α蛋白的过度积累,通常是由于VHL失活所致。造成VHL失活的主要因素包括遗传易感性、体细胞突变或甲基化等。
 
作为转录因子,HIF-2α长期以来一直被认为是不可靶向的,因为转录因子大多缺少易于小分子抑制的活性配体结合位点。但是,德州西南医学中心的科研人员发现了HIF-2α中的一个结合腔,该区域对于实现功能性HIF-2α与HIF-1β异二聚体化组装至关重要,而该蛋白相互作用可能被小分子抑制剂阻断。
 
在HIF-2α的PAS-B结构域内发现的结合腔的空间大约有290Å3。研究人员经过初步筛选得到HIF-2α的先导化合物,随后成立了Peloton Therapeutics公司进一步开发HIF-2α别构抑制剂。2016年Peloton的研究人员与合作者连发两篇《自然》文章,一篇《癌症研究》,声势浩大,在临床前细胞及动物模型中验证了先导化合物PT2399的有效性。
 
紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结
Mutations in the EPAS1 HIF2α gene occur in the ODD domain.
 
但此时的化合物还不是其临床候选化合物。Peloton进一步通过基于结构的药物设计(SBDD)方法,最终确定了PT2385,这是第一个进入临床试验的HIF-2α拮抗剂。亮点包括使用假定的n→π* Ar相互作用来指导早期类似物设计,基本羟基部分的构象限制以及靠近羟基的氟化作用的显著影响。在PK/PD、功效、PK和代谢物谱分析序列中最终确定了PT2385作为临床候选药物。晶体学共晶结构分析描述了PT2385与HIF-2α的结合特征。
 
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Development of HIF-2α inhibitors
 

  HIF-2α别构抑制剂的改进

 

PT2385的初步临床数据非常不错,在晚期ccRCC患者中初步完成了安全性,甚至是有效性的临床验证。PT2385的一期临床招募了50名患者,中位年龄为62岁。42%的患者接受过≥2个既往治疗。最常见的全等级AE是贫血(46%)、疲劳(46%)、恶心(36%)和关节痛(30%)。最常见的3级AE是贫血(4%)、疲劳(4%)和缺氧(4%)。观察到两个4级ALT升高和脂肪酶/淀粉酶升高的事件。截至2018年8月31日,ORR为22%(1CR,10PR)。在中位随访12.4个月时,所有患者的中位PFS为7.3个月。
 
但是,PT2385受其严重的葡萄糖醛酸苷代谢物的影响而限制了其药代动力学的剂量。
 
Peloton的研究人员通过将PT2385中的双链二氟基团更改为邻二氟基团,提高了HIF-2α活性,减少了二期代谢,降低亲脂性并显著改善药代动力学特性。
 
PT2977的临床药代动力学表现出比PT2385有着显著更高的暴露量,临床剂量使用也低得多,每天只用一次给药。
 
紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结
 
 

 

Peloton的PT2385的临床概念验证非常成功,又有新的临床候选PT2977进入临床。Peloton本来计划2019年5月IPO。然而,就在IPO的前几天,Peloton被默沙东的报价打动,以10.5亿美元首付,11.5亿美元里程碑付款卖给默沙东
 
 

  HIF-2α最新临床进展及研发方向

 

PT2977最主要的适应症与VEGFR的小分子激酶抑制剂类似,是肾细胞癌。肾脏癌是男女最常见的10大癌症之一。据估计,2019年美国诊断出近74000例新的肾癌病例,死亡人数超过14000。透明细胞肾细胞癌(ccRCC)是最常见的肾癌形式,约占85%。而在透明细胞肾细胞癌中,约90%的肿瘤有VHL的功能失常。
 
最新ASCO公布的会议摘要显示,MK-6842(PT2977)在ccRCC的II期的临床数据显示中位客观缓解率ORR为27.9%(17/61),43%的患者疾病稳定。中位无进展生存期PFS尚未达到。这些患者先前接受的系统治疗方案中位数约为3,绝大多数接受了VEGFR抑制剂和免疫检查点抑制剂的治疗,代表了严重未满足需求的末位疗法。
 
治疗相关的毒副作用(TRAEs)在96.7%的治疗患者中发生,3级毒副作用占9.8%,没有4-5级毒性。最常见的全因不良事件(≥20%)为贫血(86.9%)、疲劳(57.4%)、头痛(36.1%)、头晕(31.1%)和恶心(24.6%)。3级全因不良事件包括疲劳(4.9%)、贫血(3.3%)、呼吸困难(1.6%)和体重增加(1.6%)。MK-6842的毒副作用与靶向VEGFR的小分子抑制剂sunitinib、cabozantinib等非常不同。最大的亮点是没有发现心脏毒性,而心脏相关毒性高血压是所有靶向VEGFR的小分子的严重靶向相关毒性。这个改善非常显著和重要。因为VEGF也是靶向HIF-2α的下游调控信号,也许与MK-6842对VEGF的直接调控较弱有关,抑或在心脏较少富集?具体机理尚不清楚。相反,MK-6842造成较多的贫血毒性,这与它直接调控促红细胞生成素EPO相关,是靶向相关毒性。
 
本来以为MK-6842能够凭借二期、单臂、末线的临床试验将来获得FDA的加速获批,看来这个可能还不够。因为默沙东已经启动了MK-6842的III期临床试验(NCT04195750)。该试验将在转移性ccRCC患者中开展,先前接受过PD-1/PD-L1抑制剂和VEGF靶向疗法。计划入组736例患者(cabozantinib与sunitinib竞争一线比较时才总共入组了157名患者,当然其结果遭到研究人员的质疑,抱怨人数太少,但FDA还是批了)研究中,患者将以1:1比例分配至MK-6842单药治疗或依维莫司Afinitor)单药治疗,研究的共同主要终点是总生存期OS)和无进展生存期(PFS)。
默沙东也将与当红的“平台药物”cabozantinib进行组合疗法的尝试。
 
 

  小结

 

德州西南医学中心的研究人员从最初发现HIF-2α的可靶向结合腔,到筛选优化先导别构抑制剂,成立Peloton公司并最终把候选化合物推向临床,完成有效性临床概念验证,是一个科研成果临床转化的成功范本。
 
默沙东收购Peloton,靶点新颖,临床概念验证有效,赶在了诺奖之前,也应该是物有所值。期望靶向HIF-2α的别构抑制剂最终临床试验成功,为肾细胞癌末线患者带来新颖的治疗方案。当然也希望靶向HIF-2α的疗法将来能够推到肾细胞癌前线疗法,保持甚至提高疗效,降低靶向VEGFR的心脏毒副作用。

参考文献:

1、Targeting renal cell carcinoma with a HIF-2 antagonist.  Chen W, Hill H, Christie A, et al. Nature. 2016 Nov 3;539(7627):112-117. doi: 10.1038/nature19796.
2、On-target efficacy of a HIF-2α antagonist in preclinical kidney cancer models. Hyejin Cho, Xinlin Du, James P. Rizzi, et al. Nature, 2016, volume 539, pages107–111.

3、A Small-Molecule Antagonist of HIF2α Is Efficacious in Preclinical Models of Renal Cell Carcinoma. Eli M. Wallace, James P. Rizzi, Guangzhou Han, et al. Cancer Res. 2016 Sep 15;76(18):5491-500. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-16-0473.

4、3-[(1S,2S,3R)-2,3-Difluoro-1-hydroxy-7-methylsulfonylindan-4-yl]oxy-5-fluorobenzonitrile (PT2977), a Hypoxia-Inducible Factor 2α (HIF-2α) Inhibitor for the Treatment of Clear Cell Renal Cell Carcinoma. Xu R, et al.  J Med Chem. 2019 Aug 8;62(15):6876-6893.

5、Allosteric inhibition of HIF-2α as a novel therapy for clear cell renal cell carcinoma. Yu Y, Yu Q, Zhang X. Drug Discov Today. 2019 Dec;24(12):2332-2340. doi: 10.1016/j.drudis.2019.09.008.

6、Hypoxia signaling in human diseases and therapeutic targets. Jae W. Lee et al. Experimental & Molecular Medicine. 2019, volume 51, pages1–13.

7、HIF-2 Complex Dissociation, Target Inhibition, and Acquired Resistance with PT2385, a First-in-Class HIF-2 Inhibitor, in Patients with Clear Cell Renal Cell Carcinoma. Courtney KD, Ma Y, Diaz de Leon et al., Clin Cancer Res. 2020 Feb 15;26(4):793-803. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-19-1459.

 

 

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紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结
最近披露的ASCO临床数据摘要:默沙东报道了其去年收购Peloton得到的诺奖靶点HIF-2α小分子别构抑制剂MK-6482的最新II期临床进展,在61个末线肾细胞癌患者中,有17名部分应答,中位客观缓解率ORR为27.9%,初步数据非常积极。
 
直接靶向HIF-2α的别构抑制剂在临床上是新颖有效的干扰手段。本文这里小结一下靶向HIF-2α的起源及最新进展。
 
 

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缺氧诱导因子(Hypoxia-Inducible Factors,HIF)转录复合体由Gregg L. Semenza和他的博士后研究员Guang Wang于1995年发现。2016年,Gregg L. Semenza和William Kaelin Jr.,Peter J. Ratcliffe凭借阐明HIF-1在氧传感及在低氧条件下的作用而获得了拉斯克奖。2019年,这三位研究人员因共同阐明了HIF如何感测和适应细胞对氧气供应的反应而获得诺贝尔生理学或医学奖。
 
紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结

The 2019 Nobel Prize in Physiology or Medicine is awarded jointly to William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe and Gregg L. Semenza “for their discoveries of how cells sense and adapt to oxygen availability.”

 
HIF信号级联反应介导低氧状态对细胞的影响。缺氧常使细胞分化停止。然而,低氧促进血管生成,对于胚胎和肿瘤中血管系统的形成非常重要。伤口中的缺氧还促进角质形成细胞的迁移和上皮的恢复。
 
HIF-2α的活性受氧依赖的缺氧诱导因子脯氨酰羟化酶(PHDs)的控制。当氧的利用率高(正常氧)时,这些酶会羟化氧依赖域上特定脯氨酸的残基,形成VHL(von Hippel–Lindau)的底物识别位点。VHL识别HIF-2α的羟基化修饰构象形式,与之结合,并将其通过蛋白酶体快速降解。在缺氧条件下,PHDs没有足够的氧气底物来催化HIF-2α的羟基化,而VHL无法结合未经修饰的HIF-2α。结果,HIF-2α积累并转移到核中,与组成型表达的芳烃受体核转运子(ARNT,也称为HIF-1β)异二聚化形成活性转录因子复合物。该复合物识别DNA上的缺氧反应元件(HRE),导致数种蛋白表达增加,诸如EPO、VEGF等,协调调节血管生成、增殖、迁移和免疫逃逸。
 
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VHL蛋白是E3泛素连接酶复合物的一个成员,该复合物介导蛋白酶体降解特定的蛋白。VHL的主要作用是降解调节由HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α组成的转录因子的低氧诱导因子(HIF)家族。其它受VHL调控的蛋白还包括RNA聚合酶II、MET等。
 
VHL基因经常会发生突变失活,由此造成的VHL综合征属于显性遗传癌症,易患眼、脑、脊髓、肾、胰腺和肾上腺的各种恶性和良性肿瘤。VHL综合征发生的原因在于随着VHL蛋白活性的丧失,HIF-α在肿瘤细胞内部累积,并与HIF-β形成二聚体。HIF-α/HIF-β复合物通过转录激活数百种基因,从而促进了对低氧的适应。同时,低氧与肿瘤的发展有关,可以被肿瘤劫持以帮助肿瘤存活和生长。
 
总之,HIF的调控机制还是非常特殊,多数信号调控机制是生理需求,按需生产;而HIF则是“未有需存奢,常备防患劫,降解严调控,缺氧立可得”。
 
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作为转录因子,HIF-2α长期以来一直被认为是不可靶向的,因为转录因子大多缺少易于小分子抑制的活性配体结合位点。但是,德州西南医学中心的科研人员发现了HIF-2α中的一个结合腔,该区域对于实现功能性HIF-2α与HIF-1β异二聚体化组装至关重要,而该蛋白相互作用可能被小分子抑制剂阻断。
 
在HIF-2α的PAS-B结构域内发现的结合腔的空间大约有290Å3。研究人员经过初步筛选得到HIF-2α的先导化合物,随后成立了Peloton Therapeutics公司进一步开发HIF-2α别构抑制剂。2016年Peloton的研究人员与合作者连发两篇《自然》文章,一篇《癌症研究》,声势浩大,在临床前细胞及动物模型中验证了先导化合物PT2399的有效性。
 
紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结
Mutations in the EPAS1 HIF2α gene occur in the ODD domain.
 
但此时的化合物还不是其临床候选化合物。Peloton进一步通过基于结构的药物设计(SBDD)方法,最终确定了PT2385,这是第一个进入临床试验的HIF-2α拮抗剂。亮点包括使用假定的n→π* Ar相互作用来指导早期类似物设计,基本羟基部分的构象限制以及靠近羟基的氟化作用的显著影响。在PK/PD、功效、PK和代谢物谱分析序列中最终确定了PT2385作为临床候选药物。晶体学共晶结构分析描述了PT2385与HIF-2α的结合特征。
 
紫薯博士专栏 | 靶向诺奖靶点HIF-2α的别构抑制剂最新进展小结
Development of HIF-2α inhibitors
 

  HIF-2α别构抑制剂的改进

 

PT2385的初步临床数据非常不错,在晚期ccRCC患者中初步完成了安全性,甚至是有效性的临床验证。PT2385的一期临床招募了50名患者,中位年龄为62岁。42%的患者接受过≥2个既往治疗。最常见的全等级AE是贫血(46%)、疲劳(46%)、恶心(36%)和关节痛(30%)。最常见的3级AE是贫血(4%)、疲劳(4%)和缺氧(4%)。观察到两个4级ALT升高和脂肪酶/淀粉酶升高的事件。截至2018年8月31日,ORR为22%(1CR,10PR)。在中位随访12.4个月时,所有患者的中位PFS为7.3个月。
 
但是,PT2385受其严重的葡萄糖醛酸苷代谢物的影响而限制了其药代动力学的剂量。
 
Peloton的研究人员通过将PT2385中的双链二氟基团更改为邻二氟基团,提高了HIF-2α活性,减少了二期代谢,降低亲脂性并显著改善药代动力学特性。
 
PT2977的临床药代动力学表现出比PT2385有着显著更高的暴露量,临床剂量使用也低得多,每天只用一次给药。
 
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Peloton的PT2385的临床概念验证非常成功,又有新的临床候选PT2977进入临床。Peloton本来计划2019年5月IPO。然而,就在IPO的前几天,Peloton被默沙东的报价打动,以10.5亿美元首付,11.5亿美元里程碑付款卖给默沙东
 
 

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PT2977最主要的适应症与VEGFR的小分子激酶抑制剂类似,是肾细胞癌。肾脏癌是男女最常见的10大癌症之一。据估计,2019年美国诊断出近74000例新的肾癌病例,死亡人数超过14000。透明细胞肾细胞癌(ccRCC)是最常见的肾癌形式,约占85%。而在透明细胞肾细胞癌中,约90%的肿瘤有VHL的功能失常。
 
最新ASCO公布的会议摘要显示,MK-6842(PT2977)在ccRCC的II期的临床数据显示中位客观缓解率ORR为27.9%(17/61),43%的患者疾病稳定。中位无进展生存期PFS尚未达到。这些患者先前接受的系统治疗方案中位数约为3,绝大多数接受了VEGFR抑制剂和免疫检查点抑制剂的治疗,代表了严重未满足需求的末位疗法。
 
治疗相关的毒副作用(TRAEs)在96.7%的治疗患者中发生,3级毒副作用占9.8%,没有4-5级毒性。最常见的全因不良事件(≥20%)为贫血(86.9%)、疲劳(57.4%)、头痛(36.1%)、头晕(31.1%)和恶心(24.6%)。3级全因不良事件包括疲劳(4.9%)、贫血(3.3%)、呼吸困难(1.6%)和体重增加(1.6%)。MK-6842的毒副作用与靶向VEGFR的小分子抑制剂sunitinib、cabozantinib等非常不同。最大的亮点是没有发现心脏毒性,而心脏相关毒性高血压是所有靶向VEGFR的小分子的严重靶向相关毒性。这个改善非常显著和重要。因为VEGF也是靶向HIF-2α的下游调控信号,也许与MK-6842对VEGF的直接调控较弱有关,抑或在心脏较少富集?具体机理尚不清楚。相反,MK-6842造成较多的贫血毒性,这与它直接调控促红细胞生成素EPO相关,是靶向相关毒性。
 
本来以为MK-6842能够凭借二期、单臂、末线的临床试验将来获得FDA的加速获批,看来这个可能还不够。因为默沙东已经启动了MK-6842的III期临床试验(NCT04195750)。该试验将在转移性ccRCC患者中开展,先前接受过PD-1/PD-L1抑制剂和VEGF靶向疗法。计划入组736例患者(cabozantinib与sunitinib竞争一线比较时才总共入组了157名患者,当然其结果遭到研究人员的质疑,抱怨人数太少,但FDA还是批了)研究中,患者将以1:1比例分配至MK-6842单药治疗或依维莫司Afinitor)单药治疗,研究的共同主要终点是总生存期OS)和无进展生存期(PFS)。
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  小结

 

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默沙东收购Peloton,靶点新颖,临床概念验证有效,赶在了诺奖之前,也应该是物有所值。期望靶向HIF-2α的别构抑制剂最终临床试验成功,为肾细胞癌末线患者带来新颖的治疗方案。当然也希望靶向HIF-2α的疗法将来能够推到肾细胞癌前线疗法,保持甚至提高疗效,降低靶向VEGFR的心脏毒副作用。

参考文献:

1、Targeting renal cell carcinoma with a HIF-2 antagonist.  Chen W, Hill H, Christie A, et al. Nature. 2016 Nov 3;539(7627):112-117. doi: 10.1038/nature19796.
2、On-target efficacy of a HIF-2α antagonist in preclinical kidney cancer models. Hyejin Cho, Xinlin Du, James P. Rizzi, et al. Nature, 2016, volume 539, pages107–111.

3、A Small-Molecule Antagonist of HIF2α Is Efficacious in Preclinical Models of Renal Cell Carcinoma. Eli M. Wallace, James P. Rizzi, Guangzhou Han, et al. Cancer Res. 2016 Sep 15;76(18):5491-500. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-16-0473.

4、3-[(1S,2S,3R)-2,3-Difluoro-1-hydroxy-7-methylsulfonylindan-4-yl]oxy-5-fluorobenzonitrile (PT2977), a Hypoxia-Inducible Factor 2α (HIF-2α) Inhibitor for the Treatment of Clear Cell Renal Cell Carcinoma. Xu R, et al.  J Med Chem. 2019 Aug 8;62(15):6876-6893.

5、Allosteric inhibition of HIF-2α as a novel therapy for clear cell renal cell carcinoma. Yu Y, Yu Q, Zhang X. Drug Discov Today. 2019 Dec;24(12):2332-2340. doi: 10.1016/j.drudis.2019.09.008.

6、Hypoxia signaling in human diseases and therapeutic targets. Jae W. Lee et al. Experimental & Molecular Medicine. 2019, volume 51, pages1–13.

7、HIF-2 Complex Dissociation, Target Inhibition, and Acquired Resistance with PT2385, a First-in-Class HIF-2 Inhibitor, in Patients with Clear Cell Renal Cell Carcinoma. Courtney KD, Ma Y, Diaz de Leon et al., Clin Cancer Res. 2020 Feb 15;26(4):793-803. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-19-1459.

 

 

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