清華新聞網(wǎng)12月9日電 多種實體腫瘤至今仍缺乏有效的治療方法，臨床治療通常需要多種藥物聯(lián)合使用。例如，膠質(zhì)瘤是成人中最常見的原發(fā)性惡性腦腫瘤，單靠外科切除往往無法治愈。患者的預(yù)后較差，腫瘤復(fù)發(fā)率較高，五年生存率僅為5%，目前可用的治療方式極為有限。考慮到腫瘤基因組的復(fù)雜性以及涉及的多條信號通路，單一的治療方式可能無法有效應(yīng)對。因此，亟需研究針對不同致癌通路的組合治療方法。
雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一種在哺乳動物細(xì)胞中起著關(guān)鍵作用的蛋白激酶，參與細(xì)胞生長、增殖和存活等過程，同時也在腦膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。然而mTOR激酶抑制劑的選擇性差導(dǎo)致了較高的毒性和較差的臨床安全性，同時耐藥性問題進一步削弱了其臨床療效。這些因素極大地限制了mTOR抑制劑的臨床應(yīng)用，至今尚未有除雷帕霉素之外的mTOR抑制劑獲批上市。
分子膠技術(shù)是一種新型的藥物開發(fā)方法，近年來受到了廣泛關(guān)注。該方法通過誘導(dǎo)靶蛋白降解來調(diào)節(jié)蛋白功能，以催化循環(huán)和事件驅(qū)動的作用模式，有望克服小分子抑制劑的耐藥性。G1到S期過渡蛋白1（GSPT1）主要調(diào)控蛋白翻譯終止過程，并與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。GSPT1在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中高表達，通過長鏈非編碼RNA MINCR調(diào)控miR-876-5p/GSPT1軸，促進膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的進展。目前已有多種GSPT1降解劑被報道，并且一些已進入臨床研究階段。
有研究表明，mTOR抑制劑耐藥原因之一可能是由于GSK3β表達量降低，而GSPT1的降解會促使GSK3β的表達上調(diào)，有望克服其耐藥。與此同時，mTOR的抑制能有效增強GSPT1降解劑活性。此外，mTOR抑制和GSPT1降解在細(xì)胞翻譯的始末具有協(xié)同作用。因此同時抑制mTOR并降解GSPT1為惡性腫瘤提供了一種新的聯(lián)合治療策略。
近日，清華大學(xué)藥學(xué)院饒燏團隊合作研究開發(fā)了一個雙靶雙機制小分子YB-3-17，它能夠高效、選擇性地抑制mTOR同時降解GSPT1，對腫瘤細(xì)胞增殖抑制活性優(yōu)于單一治療及其聯(lián)合使用。此外，YB-3-17能夠在小鼠模型中安全有效地抑制腫瘤的生長。研究人員首次將mTOR抑制與GSPT1蛋白降解結(jié)合起來，展示了將小分子抑制劑和降解劑特性成功整合到單一分子中的概念性與可行性，“一石二鳥”的策略有望達到“事半功倍”的效果，為膠質(zhì)瘤的精準(zhǔn)治療提供了一個有前景的方向。
首先基于雙靶雙機制的設(shè)計理念，研究人員結(jié)合多種mTOR抑制劑與E3泛素連接酶配體，并考慮分子膠的特性，構(gòu)建了獨特的分子膠化合物庫（圖1A）。研究人員經(jīng)過多輪篩選后得到了一個苗頭化合物YB-2-43，并經(jīng)過進一步優(yōu)化后得到活性最優(yōu)的雙功能分子YB-3-17（圖1A）。該分子能夠高效抑制mTOR并降解GSPT1（圖1B，C）。
圖1.雙靶雙機制小分子YB-3-17的開發(fā)及評價
隨后，研究人員對YB-3-17進行了進一步的生物學(xué)活性評估以及機制驗證。YB-3-17能明顯抑制mTORC1/2復(fù)合物并降解GSPT1，顯著抑制其下游蛋白的磷酸化水平，并且呈現(xiàn)出良好的時間和濃度依賴性（圖2A）。YB-3-17能夠在低至10 nM的濃度下有效降解GSPT1，DC50僅5 nM。此外，rescue競爭性實驗表明YB-3-17誘導(dǎo)GSPT1降解依賴于泛素蛋白酶體系統(tǒng)（圖2B）。研究人員還測試發(fā)現(xiàn)YB-3-17對mTOR的酶活I(lǐng)C50僅為0.22 nM，甚至略優(yōu)于抑制劑MLN0128（IC50= 0.47 nM）（圖2C）。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)YB-3-17能夠有效抑制多種神經(jīng)腫瘤細(xì)胞的增殖，IC50值低至3.3 nM（圖2D），優(yōu)于單靶點mTOR抑制劑（MLN0128）、GSPT1降解劑，以及它們的聯(lián)合治療（圖1D），顯示出作用于雙靶點的協(xié)同效應(yīng)。
圖2.雙靶雙機制小分子YB-3-17的活性評估及機制驗證
研究人員對YB-3-17選擇性進行了進一步的詳細(xì)評估。通過蛋白質(zhì)組學(xué)和激酶譜實驗表明了YB-3-17同時具有優(yōu)良的GSPT1降解和mTOR抑制選擇性（圖3A, B, C）。基于此，研究人員還做了一個初步的體內(nèi)實驗對YB-3-17的安全性進行了測試（圖3D）。30mg/kg的mTOR抑制劑MLN0128給藥一次會導(dǎo)致小鼠死亡，10mg/kg的MLN0128連續(xù)給藥三天則導(dǎo)致小鼠體重顯著下降。與之相比，30mg/kg的YB-3-17連續(xù)給藥三天小鼠依然狀態(tài)良好，表明YB-3-17具有較高的體內(nèi)安全性，也進一步反映出其優(yōu)良選擇性。
圖3.雙靶雙機制小分子YB-3-17的選擇性及安全性評估
最后，研究人員評估了YB-3-17在小鼠模型上的體內(nèi)抗腫瘤活性。盡管MLN0128和YB-3-17均顯著抑制了腫瘤生長，然而，YB-3-17在相等劑量下表現(xiàn)出更強的療效，例如2.5mg/kg的YB-3-17產(chǎn)生了與10mg/kg的MLN0128相當(dāng)?shù)哪[瘤抑制效果。值得一提的是，10/20mg/kg的YB-3-17幾乎完全阻止了腫瘤的生長，并導(dǎo)致腫瘤消退，且小鼠狀態(tài)良好（圖4B），顯示了YB-3-17在體內(nèi)強效的抗腫瘤能力及可靠的安全性。與溶媒組相比，YB-3-17顯著抑制了mTOR下游蛋白的磷酸化，并以劑量依賴的方式降解GSPT1（圖4C）。
圖4.雙靶雙機制小分子YB-3-17的體內(nèi)抗腫瘤活性評估
研究人員提出了同時抑制并降解兩種不同靶蛋白的雙靶雙機制小分子設(shè)計策略，創(chuàng)新地開發(fā)了小分子YB-3-17。該分子能選擇性且高效地抑制mTOR并降解GSPT1。與臨床中mTOR抑制劑MLN0128相比，YB-3-17在體內(nèi)外的抗腫瘤效果均具有顯著優(yōu)勢且安全性更佳。YB-3-17以“一石二鳥”特性實現(xiàn)了“事半功倍”的效果，驗證了雙靶點、雙機制策略的可行性，為腦膠質(zhì)瘤提供了新的治療思路。
相關(guān)研究成果以“開發(fā)結(jié)合抑制和降解的雙靶點雙機制分子膠設(shè)計策略”（A dual-target and dual-mechanism design strategy by combining inhibition and degradation together）為題，于12月3日發(fā)表于《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）。
清華大學(xué)藥學(xué)院饒燏課題組2019級博士生劉永波與昌平實驗室副研究員孫秀云為論文共同第一作者，藥學(xué)院教授饒燏與孫秀云為論文共同通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、昌平實驗室、北京市教委和北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心的共同資助。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c11930
供稿：藥學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
