【Nature子刊】激酶抑制剂的最新进展和未来方向

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【Nature子刊】激酶抑制剂的最新进展和未来方向
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蛋白激酶几乎调节细胞的各个方面,其表达水平或突变异常会导致癌症和其他疾病。自2001年伊马替尼获得批准以来,已有76种激酶抑制剂获批上市。这些开创性化合物的成功,尤其是1998年伊马替尼进入临床试验后的惊人疗效,改变了人们对蛋白激酶作为药物靶点的看法;目前,已经有数百种蛋白激酶抑制剂被开发出来并在人类身上进行了测试。


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粉红色为酪氨酸激酶;蓝色为丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶


激酶抑制剂的临床影响


激酶抑制剂的开发和批准已经改变了包括CML、GIST、黑色素瘤和NSCLC在内的多种恶性肿瘤的临床治疗。与化疗相比,靶向治疗(针对EGFR突变和ALK重排的NSCLC)大幅提高应答率和PFS并减少不良反应

在慢性粒细胞白血病中,常规治疗已经被BCR-ABL抑制剂所取代,异基因骨髓移植现仅用于多药耐药或晚期疾病。GIST或BRAF突变型黑色素瘤的全身化疗的临床应用几乎已经消失;在非小细胞肺癌中,包括激酶抑制剂在内的基因型导向治疗已取代全身化疗作为晚期非小细胞肺癌患者的初始治疗。

激酶抑制剂的另一个特点是能够穿透血脑屏障(BBB),用于治疗脑转移和/或软脑膜疾病;化疗药物很少能通过血脑屏障,放射治疗的长期副作用也可能是毁灭性的。

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激酶抑制剂耐药


尽管已批准的激酶抑制剂给许多癌症患者带来了收益,但这些药物并不能治愈癌症,大多数肿瘤只能延迟肿瘤的进展。晚期肿瘤通常会找到逃避靶点抑制的途径,从而导致耐药性。自从第一批激酶抑制药物问世以来,人们就观察到了耐药,有效地处理这一问题已成为一项重大挑战。

激酶抑制剂的耐药性大致可分为先天性或原发性耐药性。获得性耐药机制包括靶蛋白二次突变、“旁路”激活或表型转化等。引起耐药的激酶域突变,包括守门员、溶剂前突变和DFG环突变等。

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激酶抑制剂研究进展


在过去的20年中,由于几个关键技术进步的推动,激酶抑制剂的设计工作得到显著改进。
  • 首先,在人类基因组测序之后,对500多种蛋白激酶(人类激酶组)进行了全面的分类和注释,并将其细分为若干亚家族,这导致了对激酶组关系的全面理解,并促进了激酶药物发现方式的一个阶段性变化。
  • 第二,由于自动化、微量激酶活性测试方法的进步,激酶谱的测试变得更加便宜。这使药物开发人员能够对抑制剂的主要靶点和脱靶激酶进行常规分析,使选择性不好的先导化合物能够在早期被丢弃,并在随后帮助指导关键系列化合物的选择性改进。广谱激酶抑制剂获得新的临床机会,并且不良反应能够合理解释。
  • 第三,在结构基因组学的推动下,激酶催化结构域的高分辨率结构越来越多,这使得结构化学、计算化学、基于片段的药物设计方法能够常规整合到药物发现中。
  • 第四,在患者中观察到的耐药机制的阐明有助于寻找下一代抑制剂的开发机会和把握临床需求特点。
迄今为止,驱动细胞分裂周期的蛋白激酶如PLK、aurora激酶和一些细胞周期素依赖性激酶,由于无法获得足够的治疗收益,还没有开发出临床有用的抑制剂。对于这些靶点,需要持续的药物化学努力,以开发具有更好耐受性的选择性抑制剂。
目前激酶抑制剂领域的另一个重要问题是如何开发穿过血脑屏障的药物:因为随着晚期癌症患者存活时间的延长,脑转移是一个常见的临床问题。平衡和维持药物的所有特性,如效价、选择性以及最佳的血脑屏障通透性,仍然是一个重大的挑战。

非癌症激酶抑制剂


平滑肌松弛与免疫抑制

Rho激酶抑制剂法舒地尔(AT877,HA107)显示出治疗脑血管痉挛的疗效,1995年在日本被批准用于此目的,后来在中国被批准,但尚未在美国或欧洲获得批准。法舒地尔是从一类最初被鉴定为钙调素拮抗剂的分子发展而来,后来被发现能抑制AGC亚家族的几种蛋白激酶包括Rho依赖性激酶,这导致肌球蛋白P轻链的磷酸化减少,增加平滑肌松弛,从而扩张血管。

雷帕霉素的靶点为FK506结合蛋白(FKBP),FKBP-雷帕霉素复合物被证明是TORC1蛋白激酶复合物的有效和特异性抑制剂。雷帕霉素的免疫抑制特性在1999年被批准作为肾移植受者的免疫抑制剂,后来被用于治疗淋巴管平滑肌瘤病,一种罕见的肺部疾病。


炎症和自身免疫性疾病

炎症性疾病和自身免疫性疾病,包括关节炎、哮喘、结肠炎、纤维化、系统性红斑狼疮(SLE)、银屑病和败血症等,常常是由免疫系统失调引起炎症介质的过量产生有关。一些蛋白激酶与细胞内细胞因子功能及其产生细胞有关,成为治疗这些疾病的潜在靶点;但由于细胞因子的正常功能在对抗微生物病原体中发挥作用,因此该类抑制剂面临不可接受的感染风险。

Janus激酶(JAK)抑制剂托法替尼在2012年被批准用于治疗中重度类风湿性关节炎,这是第一个在癌症领域之外通过靶向特定蛋白激酶开发的药物,也是第一个50多年来治疗类风湿性关节炎的口服活性药物。托法替尼随后被批准用于治疗银屑病性关节炎、溃疡性结肠炎和青少年特发性关节炎。大约有12种其他的JAKitinibs正在进行临床试验。但tofacitinib治疗增加了微生物感染的风险,尤其是上呼吸道感染的风险,最近,1%的接受治疗的患者增加了静脉血栓栓塞的风险。

靶向抑制炎性细胞因子产生的蛋白激酶越来越受到关注。一个有趣的候选激酶是IRAK4(白细胞介素1受体相关激酶4),它是Toll样受体(TLRs)产生促炎细胞因子和趋化因子所必需的,表达IRAK4激酶非活性突变体的小鼠在多种炎症和自身免疫性疾病模型中受到保护,并且IRAK4抑制剂在与人类SLE相关的小鼠模型中防止SLE的自身免疫和自身炎症。至少四种特异性抑制IRAK4或IRAK4和IRAK1双重抑制剂的化合物(PF-06650833、BAY1834845、BAY1830839和CA-4948)目前正在进行炎症和自身免疫性疾病的I/II期临床试验。

关于IRAK4抑制剂引起微生物病原体感染易感性增加的潜在问题,已经通过一项为期30多年的研究得到解决。IRAK4缺乏的幼儿极易受化脓性细菌感染,即使每天使用广谱抗生素,也有一半在8岁前死亡。令人着迷的是,这些人在8岁时不再死亡,侵袭性细菌感染逐渐减少,20岁后很少出现,他们对常见的真菌、寄生虫、病毒和许多其他类型的细菌也有正常的抵抗力。因此,IRAK4在人类中的重要作用似乎仅限于保护幼儿免受少数细菌的感染,这表明IRAK4抑制剂可以安全地应用于成人。

抑制蛋白激酶SIK亚家族成员能够增强IL-10的产生,将巨噬细胞从炎症M1转化为抗炎M2b状态,促进炎症的消退和感染后受损组织的修复,提示SIK抑制药物在炎症性疾病的治疗中具有潜在的应用价值。SIK抑制剂目前正进行类风湿性关节炎、溃疡性结肠炎、银屑病和其他疾病的晚期临床试验阶段。SIK抑制剂在纤维化疾病模型中还显示出临床前活性。


阿尔茨海默病

p38激酶抑制剂neflamapimod(以前的VX745)被用于治疗阿尔茨海默病。这种化合物逆转了淀粉样蛋白-β (Aβ)-诱导突触功能障碍和丢失,减少β 阿尔茨海默病小鼠模型的产生,以及认知障碍大鼠在Morris水迷宫(MWM)试验中表现的改善。一些穿过BBB并通过I/II期试验的TKIs也被重新用于治疗阿尔茨海默病,包括saracitinib(以前的AZD0530)以及BCR–ABL抑制剂nilotinib。

糖原合成酶激酶3(GSK3)是磷酸化Tau的蛋白激酶之一;tau的过度磷酸化并聚集阿尔茨海默病和其他tau病的标志。GSK3抑制剂tideglusib192被发现可以减少tau蛋白的过度磷酸化,以及其他阿尔茨海默病的标志物,如小鼠大脑中的淀粉样蛋白沉积、神经元丢失和胶质增生,它还可以逆转阿尔茨海默病小鼠模型中的空间记忆缺陷。Tideglusib在I/II临床试验中耐受性良好。对30名轻中度阿尔茨海默病患者进行的一项试验性、双盲、随机二期试验(NCT00948259)显示,在多项认知益处测试中,有阳性趋势;然而,一项涉及306名阿尔茨海默病患者的更大的II期试验错过了其主要的认知终点。


帕金森病

全世界1%到2%的帕金森病是由蛋白激酶LRRK2基因突变引起的,尽管这种突变在特定人群中更为普遍。特发性帕金森病患者多巴胺感受神经元中的也存在与突变无关的LRRK2活性增加。LRRK2可能是通过氧化机制激活α-突触核蛋白和线粒体损伤,导致内溶酶体功能障碍,积累磷酸化α-突触核蛋白与帕金森综合征。因此,LRRK2活性的增加可能有助于帕金森病患者的发病机制。包括DNL201(Denali)在内的少量LRRK2抑制剂已进入临床试验阶段。


由蛋白激酶突变引起的其他疾病

PKCγ特异性亚型可能与一些脊髓小脑共济失调的发病有关,蛋白激酶WNK1或WNK4的表达增加(由其突变和其他机制引起)是Gordon综合征的基础,Gordon综合征是由钾离子排泄缺陷引起的遗传性高血压。高血压是由WNK催化的蛋白激酶SPAK和OSR1的磷酸化和活化介导的,后者控制着几种离子协同转运蛋白的活性。

未来20年激酶药物的研发趋势


我们预测,在未来20年内,肿瘤学将继续主导激酶药物的发现。尽管迄今为止,人类基因组编码的518种蛋白激酶中只有50种被用于癌症治疗,但我们预测,未来用于癌症药物开发的新激酶的数量只会略有增加,因为近年来作为特定癌症驱动因素的激酶新突变尚未被发现。我们认为肿瘤学中激酶抑制剂的研究重点将主要集中于如何克服耐药。

我们设想下一代激酶抑制剂的发展趋势将加快,这种抑制剂具有更好的选择性、抗耐药和中枢神经系统渗透的能力。此外,我们认为合理设计新的激酶抑制剂及其组合、激酶抑制剂与其他治疗方法的组合,以及克服和预防耐药性的研究将会增加。

肿瘤间质微环境和免疫生物学在保护癌细胞中的作用将是另一个深入研究的重点领域,如TAM激酶(TYRO3,AXL和MER)和集落刺激因子1受体(CSF1R)在免疫信号传导中具有关键作用。

到目前为止,唯一被合理设计的治疗癌症以外疾病的药物是JAK抑制剂,我们认为靶向治疗癌症以外疾病的新蛋白激酶的数量将逐渐增加。例如GSK3抑制剂tideglusib正在进行阿尔茨海默病的临床试验;同时也发现GSK3的抑制在调节胰岛素依赖性的血糖转化为组织糖原中具有重要作用,也许GSK3抑制剂具有降低2型糖尿病患者血糖水平的潜力。

我们预测,下一代抗体方法将导致更多的药物批准,其中包括阻断一个以上激酶的双特异性抗体。在临床开发中已经显示出令人鼓舞的数据的一个例子是阿米凡他玛(JNJ-61186372),一种双MET/EGFR抗体。抗体-药物缀合物(ADC)是另一个令人兴奋的未来治疗平台。

我们预测,小分子抑制剂的开发技术将继续取得突破性进展。例如,近年来诱导特定蛋白质降解的药物的开发取得了重大进展。PROTAC技术利用化学实体来指导泛素化介导的特定蛋白质的降解。必须强调的是,蛋白激酶的特异性蛋白水解破坏并不等同于其催化活性的抑制,因为许多激酶是多结构域蛋白。当蛋白激酶的表达被去除时,每个结构域都被消除,这可以提高疗效,但也会引起更严重的副作用。

已批准的MEK1/MEK2小分子抑制剂(曲美替尼、司卢美替尼)和在研AKT抑制剂MK2206均是变构抑制剂,通过与催化域以外的区域结合来阻断激酶活性。这种变构抑制剂避免了与细胞内ATP竞争以结合到催化位点,从而增加了开发更有效以及更特异的抑制剂的潜力。ascinimib是一种变构ABL抑制剂,与BCR–ABL的肉豆蔻酰结合位点结合;在临床前和临床研究中,这种化合物已被证明对耐药机制有效,包括ABLT315I门控突变。

总之,开发新型激酶抑制剂的潜力是巨大的,我们有信心地预测:在未来20年,激酶抑制剂仍然将是药物开发的一个主要增长领域!



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