酪氨酸激酶的抑制劑在白血病的靶向研究中的應用
近年來白血病 (Leukemia) 的發(fā)病率逐漸走高，在我國每年每 10 萬人中約有 3-4 人患上白血病。急性淋巴細胞白血病 (ALL) 多見于兒童 (≤ 14 歲) 和青少年，2018 年的一項研究發(fā)現(xiàn)，白血病是 0-14 歲兒童最常見的癌癥和主要死因，而且在所有死于癌癥的兒童患者中，白血病患者占比大約三分之一。而急性髓系白血病 (AML)、慢性髓系白血病 (CML)、慢性淋巴細胞白血病 (CLL) 的發(fā)病率與年齡相關，常見于成人，尤其是老年人。此外，男性的白血病患病率普遍高于女性。
根據(jù)白血病細胞分化程度，白血病可分為急性及慢性兩大類。根據(jù)癌變的細胞類型，可以分為粒細胞、單核細胞、淋巴細胞白血病等。通常把白血病分為四個亞型：急性髓系白血病 (AML)、急性淋巴細胞白血病 (ALL)、慢性髓系白血病 (CML) 和慢性淋巴細胞白血病 (CLL)。
白血病的發(fā)生
目前，白血病的發(fā)生機制仍未被完全了解。研究者普遍認為白血病是由多種因素共同引起的，危險因素包括環(huán)境因素，病毒因素以及遺傳改變。
環(huán)境因素包括電離輻射暴露、染發(fā)劑、裝修產(chǎn)生的甲醛、殺蟲劑等都可以誘發(fā)白血病。此外，病毒也可能是白血病發(fā)生的誘因，哺乳動物 C 型 Oncorna 病毒 (致癌 RNA 病毒) 在鼠、貓、雞和牛等動物體內(nèi)的致白血病作用已經(jīng)得到肯定，近年也有報道，從成人 T 細胞白血病和淋巴瘤患者分離出了人類 T 細胞白血病病毒 (HTLV，一種 C 型逆轉(zhuǎn)錄病毒)。
不同類型的白血病的遺傳特征有所不同。目前遺傳機制較為清楚的是慢性髓系白血病。慢性髓系白血病的發(fā)生與 BCR-ABL1 融合基因的存在密切相關。BCR-ABL1 融合基因是 9 號染色體上的 ABL1 基因和 22 號染色體 (費城染色體) 上的 BCR 基因融合而成。
BCR-ABL1 融合基因可以編碼致癌蛋白 BCR-ABL1 (也稱為 p210)，具有酪氨酸激酶活性。BCR-ABL1 蛋白通過下游因子/信號途徑如 Ras、磷脂酰肌醇-3-激酶 (PI3K)、JAK/STAT通路等，調(diào)控細胞生長、增殖、凋亡，干擾細胞粘附和遷移過程，來誘導白血病的發(fā)生。目前，BCR-ABL1 融合基因已經(jīng)成為慢性髓系白血病研究的重要靶點。
除慢性髓系白血病之外，其他白血病的遺傳改變類型多樣，具有異質(zhì)性，包括基因異位重排、基因序列突變和表觀遺傳修飾等。
目前，在急性淋巴細胞白血病中 KMT2A、PAX5 基因重排，基因異位產(chǎn)生的融合基因 ETV6-RUNX1、CF3-PBX1，以及融合基因 BCR-ABL1、FBXW7 等已被報道。而在急性髓細胞白血病中發(fā)現(xiàn) FLT3、KRAS、NRAS、KIT、PTPN11、IDH1/2、TET2、ASXL1 和 DNMT3A 等基因的突變。這些突變主要與細胞信號通路或激酶的異常激活以及表觀遺傳調(diào)控有關。慢性淋巴細胞白血病通常是由染色體物質(zhì)的丟失或增加引起的，包括 11 號、13 號和 17 號染色體的缺失，12 號染色體三體等。
值得一提的是，這些突變并不一定是單獨存在的，同時存在多個突變會導致白血病的侵襲性增強。
但是這些非特異性的毒性藥物的毒副作用較為明顯，開發(fā)更安全的靶向治療藥物是未來腫瘤精準治療的趨勢。近年來，精準靶向免疫療法例如 CAR-T 細胞 (嵌合抗原受體 T 細胞) 的風頭很盛，靶向藥物的開發(fā)也是如火如荼，目前，針對白血病開發(fā)的靶向治療藥物有酪氨酸激酶抑制劑，BCL-2 抑制劑，IDH 抑制劑等。
■ 酪氨酸激酶的抑制劑
多種酪氨酸激酶抑制劑能廣泛用于含有酪氨酸激酶基因突變癌癥 (包括白血病) 的研究。例如伊馬替尼 (Imatinib)，具有抑制蛋白激酶 C (PKC) 的活性，也是 c-KIT 受體和血小板衍生生長因子受體 (PDGFR) 的抑制劑，可以競爭性地結(jié)合酪氨酸激酶的 ATP 結(jié)合區(qū)域，抑制酪氨酸激酶與 ATP 的結(jié)合，從而抑制其活性。伊馬替尼對于 BCR-ABL 融合基因誘導的酪氨酸激酶活性有很好的抑制活性。但是伊馬替尼耐藥性的出現(xiàn)也是不可忽視的問題。
■ BCL-2 抑制劑
B 細胞白血病/淋巴瘤 2 (BCL-2) 蛋白是內(nèi)在的線粒體凋亡途徑的關鍵調(diào)節(jié)因子。BCL-2 蛋白由 BCL-2 原癌基因編碼，含有 BH1-BH4 四個同源結(jié)構(gòu)域和一個跨膜結(jié)構(gòu)域，其中 BH4 構(gòu)域可以與促細胞凋亡蛋白 (如 BIM 蛋白、BIK 蛋白、PUMA 蛋白等) 的 BH3 結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，抑制促細胞凋亡蛋白發(fā)揮作用。因此，BCL-2 蛋白的過表達會抑制細胞凋亡，促進細胞存活。
以維奈克拉 (Venetoclax) 為代表的 BCL-2 抑制劑可以競爭性結(jié)合 BCL-2 蛋白的 BH4 結(jié)構(gòu)域，阻礙 BCL-2 蛋白與促細胞凋亡蛋白結(jié)合，促細胞凋亡蛋白發(fā)揮作用，誘導腫瘤細胞凋亡。
■ IDH 抑制劑
異檸檬酸脫氫酶 (IDH) 包括了細胞質(zhì)中的 NADP-IDH1，線粒體中的 NADP-IDH2 和 NAD-IDH3。IDH 在三羧酸循環(huán)中扮演重要角色，被認為是三羧酸循環(huán)的限速酶，與組蛋白修飾、DNA 甲基化等關鍵表觀遺傳密切相關。正常情況下，IDH 可催化異檸檬酸脫氫為 α-酮戊二酸 (α-KG)，但突變的 IDH 蛋白會將 α-KG 還原成 2-羥基戊二酸 (D-2-HG)。異常積累的 D-2-HG 抑制了參與表觀遺傳學和分化調(diào)控的 α-KG 依賴性雙加氧酶，并被認為通過誘導表觀遺傳學功能障礙來抑制正常細胞分化，最終誘發(fā)細胞癌變。IDH 抑制劑藥物如艾伏尼布 (Ivosidenib) 可以特異性地抑制突變型 IDH1，降低細胞內(nèi) D-2-HG 水平。
■ 靶向白血病的抗體
近些年針對白血病的抗體藥物也越來越多，如靶向 CD19 和 CD3 的博納吐單抗 (Blinatumomab)，靶向 CD20 的奧濱尤妥珠單抗 (Obinutuzumab)，靶向 CD20 的利妥昔單抗 (Rituximab) 等。
白血病相關的治療仍有很多問題亟待解決，預后復發(fā)，耐藥性的產(chǎn)生等問題促使人們繼續(xù)探索毒副作用更小的靶向藥物和更為精準化的治療方案。人類克服白血病之路困難重重，科研人員任重而道遠。
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縮寫
AML: Acute myeloid leukemia,
ALL: Acute lymphoblastic leukemia,
CML: Chronic myeloid leukemia
CLL: Chronic lymphoblastic leukemia
HTLV: Human T-cell leukemia virus type 1
PI3K: Phosphatidyl inotisol-3-kinase
BCL-2: B-cell leukemia/lymphoma-2
PKC: Protein kinase C
PDGFR:Platelet derived growth factor receptor
BIM: Bcl-2 interacting mediator of cell death
BIK: BCL-2 interacting killer
PUMA: p53 upregulated modulator of apoptosis
IDH: Isocitrate dehydrogenase
α-KG: α-ketoglutarate
D-2-HG: D-2-hydroxyglutarate
什么是白血�。�
白血病，俗稱血癌，是最常見的致死性癌癥之一。白血病是一種異質(zhì)性骨髓造血干細胞惡性腫瘤，其特點是未分化的骨髓造血干細胞異常增殖，白細胞 (主要是粒細胞和淋巴細胞) 增多，無法產(chǎn)生正常血細胞，最終結(jié)果就是血小板和紅細胞生成減少。根據(jù)白血病細胞分化程度，白血病可分為急性及慢性兩大類。根據(jù)癌變的細胞類型，可以分為粒細胞、單核細胞、淋巴細胞白血病等。通常把白血病分為四個亞型：急性髓系白血病 (AML)、急性淋巴細胞白血病 (ALL)、慢性髓系白血病 (CML) 和慢性淋巴細胞白血病 (CLL)。
圖 1. 來源于慢性淋巴細胞白血病患者的賴特-吉姆薩染色血涂片和骨髓活檢標本的組織切片[1]
白血病的發(fā)生
目前，白血病的發(fā)生機制仍未被完全了解。研究者普遍認為白血病是由多種因素共同引起的，危險因素包括環(huán)境因素，病毒因素以及遺傳改變。
環(huán)境因素包括電離輻射暴露、染發(fā)劑、裝修產(chǎn)生的甲醛、殺蟲劑等都可以誘發(fā)白血病。此外，病毒也可能是白血病發(fā)生的誘因，哺乳動物 C 型 Oncorna 病毒 (致癌 RNA 病毒) 在鼠、貓、雞和牛等動物體內(nèi)的致白血病作用已經(jīng)得到肯定，近年也有報道，從成人 T 細胞白血病和淋巴瘤患者分離出了人類 T 細胞白血病病毒 (HTLV，一種 C 型逆轉(zhuǎn)錄病毒)。
不同類型的白血病的遺傳特征有所不同。目前遺傳機制較為清楚的是慢性髓系白血病。慢性髓系白血病的發(fā)生與 BCR-ABL1 融合基因的存在密切相關。BCR-ABL1 融合基因是 9 號染色體上的 ABL1 基因和 22 號染色體 (費城染色體) 上的 BCR 基因融合而成。
圖 2. 來源于慢性髓系白血病患者 t (9; 22) (q34; q11) 染色體易位的檢測[4]
BCR-ABL1 融合基因可以編碼致癌蛋白 BCR-ABL1 (也稱為 p210)，具有酪氨酸激酶活性。BCR-ABL1 蛋白通過下游因子/信號途徑如 Ras、磷脂酰肌醇-3-激酶 (PI3K)、JAK/STAT通路等，調(diào)控細胞生長、增殖、凋亡，干擾細胞粘附和遷移過程，來誘導白血病的發(fā)生。目前，BCR-ABL1 融合基因已經(jīng)成為慢性髓系白血病研究的重要靶點。
圖 3. BCR-ABL1 蛋白激活胞內(nèi)復雜的信號通路[4]
除慢性髓系白血病之外，其他白血病的遺傳改變類型多樣，具有異質(zhì)性，包括基因異位重排、基因序列突變和表觀遺傳修飾等。
目前，在急性淋巴細胞白血病中 KMT2A、PAX5 基因重排，基因異位產(chǎn)生的融合基因 ETV6-RUNX1、CF3-PBX1，以及融合基因 BCR-ABL1、FBXW7 等已被報道。而在急性髓細胞白血病中發(fā)現(xiàn) FLT3、KRAS、NRAS、KIT、PTPN11、IDH1/2、TET2、ASXL1 和 DNMT3A 等基因的突變。這些突變主要與細胞信號通路或激酶的異常激活以及表觀遺傳調(diào)控有關。慢性淋巴細胞白血病通常是由染色體物質(zhì)的丟失或增加引起的，包括 11 號、13 號和 17 號染色體的缺失，12 號染色體三體等。
值得一提的是，這些突變并不一定是單獨存在的，同時存在多個突變會導致白血病的侵襲性增強。
抗白血病的靶向藥物研究
目前臨床治療白血病的主要方法包括化療、放療和骨髓干細胞移植，多種化學藥物的聯(lián)合使用一直是抗白血病的重要治療方案�？拱籽⊙芯康幕瘜W藥物種類多樣，包括一些常見的細胞毒性化合物，例如環(huán)磷酰胺 (Cyclophosphamide) 、替尼泊甙 (Teniposide)、核苷類似物阿糖胞苷 (Cytarabine)、長春新堿 (Vincristine)、6-硫鳥嘌呤 (6-Thioguanine)、羥基脲 (Hydroxyurea) 等。但是這些非特異性的毒性藥物的毒副作用較為明顯，開發(fā)更安全的靶向治療藥物是未來腫瘤精準治療的趨勢。近年來，精準靶向免疫療法例如 CAR-T 細胞 (嵌合抗原受體 T 細胞) 的風頭很盛，靶向藥物的開發(fā)也是如火如荼，目前，針對白血病開發(fā)的靶向治療藥物有酪氨酸激酶抑制劑，BCL-2 抑制劑，IDH 抑制劑等。
■ 酪氨酸激酶的抑制劑
多種酪氨酸激酶抑制劑能廣泛用于含有酪氨酸激酶基因突變癌癥 (包括白血病) 的研究。例如伊馬替尼 (Imatinib)，具有抑制蛋白激酶 C (PKC) 的活性，也是 c-KIT 受體和血小板衍生生長因子受體 (PDGFR) 的抑制劑，可以競爭性地結(jié)合酪氨酸激酶的 ATP 結(jié)合區(qū)域，抑制酪氨酸激酶與 ATP 的結(jié)合，從而抑制其活性。伊馬替尼對于 BCR-ABL 融合基因誘導的酪氨酸激酶活性有很好的抑制活性。但是伊馬替尼耐藥性的出現(xiàn)也是不可忽視的問題。
圖 4. 伊馬替尼的作用機制
■ BCL-2 抑制劑
B 細胞白血病/淋巴瘤 2 (BCL-2) 蛋白是內(nèi)在的線粒體凋亡途徑的關鍵調(diào)節(jié)因子。BCL-2 蛋白由 BCL-2 原癌基因編碼，含有 BH1-BH4 四個同源結(jié)構(gòu)域和一個跨膜結(jié)構(gòu)域，其中 BH4 構(gòu)域可以與促細胞凋亡蛋白 (如 BIM 蛋白、BIK 蛋白、PUMA 蛋白等) 的 BH3 結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，抑制促細胞凋亡蛋白發(fā)揮作用。因此，BCL-2 蛋白的過表達會抑制細胞凋亡，促進細胞存活。
以維奈克拉 (Venetoclax) 為代表的 BCL-2 抑制劑可以競爭性結(jié)合 BCL-2 蛋白的 BH4 結(jié)構(gòu)域，阻礙 BCL-2 蛋白與促細胞凋亡蛋白結(jié)合，促細胞凋亡蛋白發(fā)揮作用，誘導腫瘤細胞凋亡。
圖 5. 維奈克拉的作用機理
■ IDH 抑制劑
異檸檬酸脫氫酶 (IDH) 包括了細胞質(zhì)中的 NADP-IDH1，線粒體中的 NADP-IDH2 和 NAD-IDH3。IDH 在三羧酸循環(huán)中扮演重要角色，被認為是三羧酸循環(huán)的限速酶，與組蛋白修飾、DNA 甲基化等關鍵表觀遺傳密切相關。正常情況下，IDH 可催化異檸檬酸脫氫為 α-酮戊二酸 (α-KG)，但突變的 IDH 蛋白會將 α-KG 還原成 2-羥基戊二酸 (D-2-HG)。異常積累的 D-2-HG 抑制了參與表觀遺傳學和分化調(diào)控的 α-KG 依賴性雙加氧酶，并被認為通過誘導表觀遺傳學功能障礙來抑制正常細胞分化，最終誘發(fā)細胞癌變。IDH 抑制劑藥物如艾伏尼布 (Ivosidenib) 可以特異性地抑制突變型 IDH1，降低細胞內(nèi) D-2-HG 水平。
■ 靶向白血病的抗體
近些年針對白血病的抗體藥物也越來越多，如靶向 CD19 和 CD3 的博納吐單抗 (Blinatumomab)，靶向 CD20 的奧濱尤妥珠單抗 (Obinutuzumab)，靶向 CD20 的利妥昔單抗 (Rituximab) 等。
白血病相關的治療仍有很多問題亟待解決，預后復發(fā)，耐藥性的產(chǎn)生等問題促使人們繼續(xù)探索毒副作用更小的靶向藥物和更為精準化的治療方案。人類克服白血病之路困難重重，科研人員任重而道遠。
| 非特異性的細胞毒性化合物 |
| Cyclophosphamide Nitrogen mustard 類化合物，屬于烷化劑，可與 DNA 結(jié)合并破壞 DNA，具有抗腫瘤及免疫抑制活性。 |
| Teniposide 足葉草毒素衍生物，是拓撲異構(gòu)酶 II 的抑制劑。 |
| Idarubicin hydrochloride 屬于蒽環(huán)類化合物，是拓撲異構(gòu)酶 II 抑制劑，干擾 DNA 復制和 RNA 轉(zhuǎn)錄。 |
| Cytarabine 屬于核苷類似物，可引起 S 期細胞周期停滯并抑制 DNA 聚合酶。 |
| Vincristine sulfate 長春花生物堿，能抑制有絲分裂紡錘體的形成，導致中期階段的分裂細胞停滯。 |
| Hydroxyurea 核苷二磷酸還原酶抑制劑，可阻止核苷酸還原為脫氧核苷酸，干擾嘌呤及嘧啶堿基生物合成，選擇性地阻礙 DNA 合成，對 RNA 及蛋白質(zhì)合成無阻斷作用。 |
| 6-Thioguanine 抑制嘌吟合成途徑的嘌吟代謝拮抗物，抑制核酸的生物合成。 |
| 小分子抑制劑 |
| Imatinib 酪氨酸激酶的抑制劑，可選擇性地抑制 BCR/ABL、v-Abl、PDGFR、c-KIT 等激酶活性。 |
| Venetoclax Bcl-2 抑制劑，可以誘導自噬，具有抗白血病活性。 |
| 化合物庫 |
| 抗血液癌癥化合物庫 收錄了 1500+ 種具有明確或潛在抗血液腫瘤活性的化合物，這些化合物靶向血液腫瘤治療中的關鍵靶點及信號通路，是篩選抗血液腫瘤活性化合物及其他相關研究的重要工具。 |
縮寫
AML: Acute myeloid leukemia,
ALL: Acute lymphoblastic leukemia,
CML: Chronic myeloid leukemia
CLL: Chronic lymphoblastic leukemia
HTLV: Human T-cell leukemia virus type 1
PI3K: Phosphatidyl inotisol-3-kinase
BCL-2: B-cell leukemia/lymphoma-2
PKC: Protein kinase C
PDGFR:Platelet derived growth factor receptor
BIM: Bcl-2 interacting mediator of cell death
BIK: BCL-2 interacting killer
PUMA: p53 upregulated modulator of apoptosis
IDH: Isocitrate dehydrogenase
α-KG: α-ketoglutarate
D-2-HG: D-2-hydroxyglutarate
參考文獻
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11. Warren CFA, Wong-Brown MW, Bowden NA. BCL-2 family isoforms in apoptosis and cancer. Cell Death Dis. 2019 Feb 21;10(3):177. 12. Kapoor I, Bodo J, Hill BT, et al. Targeting BCL-2 in B-cell malignancies and overcoming therapeutic resistance. Cell Death Dis. 2020 Nov 2;11(11):941. 13. Dang L, Yen K, Attar EC. IDH mutations in cancer and progress toward development of targeted therapeutics. Ann Oncol. 2016 Apr;27(4):599-608.
14. Waitkus MS, Diplas BH, Yan H. Biological Role and Therapeutic Potential of IDH Mutations in Cancer. Cancer Cell. 2018 Aug 13;34(2):186-195
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