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ALK5小分子抑制剂生物活性研究进展.pdf

1、2698Central South Pharmacy.October 2023,Vol.21 No.10 中南药学 2023 年 10 月 第 21 卷 第 10 期ALK5 小分子抑制剂生物活性研究进展李倩倩1,薛晓文1,2*(1.中国药科大学药学院,南京211100;2.中国药科大学药物化学教研室,南京211100)摘要:转化生长因子-(TGF-)是一种具有广泛生物活性的细胞因子,被激活后与 TGF-受体结合,通过 TGF-/Smad与非 Smad信号通路介导诸多生物学效应。ALK5 为该受体家族研究最为广泛的亚型之一,近年来其生物活性研究也取得了一些进展。本文就 ALK5 抑制剂在抗肿瘤

2、、抗纤维化、促进肠神经胶质细胞转化为神经元、血脑屏障保护以及降低眼压等生物活性方面的研究进展进行简要综述。关键词:转化生长因子-;ALK5;生物活性中图分类号:R96文献标识码:A文章编号:1672-2981(2023)10-2698-06doi:10.7539/j.issn.1672-2981.2023.10.022Advances in biological activities of ALK5 small molecule inhibitorsLI Qian-qian1,XUE Xiao-wen1,2*(1.School of Pharmacy,China Pharmaceutical

3、University,Nanjing 211100;2.Department of Medicinal Chemistry,China Pharmaceutical University,Nanjing 211100)Abstract:Transforming growth factor-(TGF-)is a cytokine with many biological activities.After activation,it could bind its receptors and mediate many biological effects through TGF-/Smad and

4、non-Smad signaling pathways.As one of the most widely studied subtypes of the receptor family,some progress has been made in the biological activities of ALK5 inhibitors in recent years.The paper reviewed the biological activities of ALK5 inhibitors in anti-tumor,anti-fibrosis,promoting the transfor

5、mation of intestinal glial cells into neurons,blood-brain barrier protection and reducing intraocular pressure.Key words:transforming growth factor-;ALK5;biological activity作者简介:李倩倩,女,硕士,主要从事抗纤维化 ALK5 小分子抑制剂研究,email:*通信作者:薛晓文,男,副教授,主要从事药物化学以及有机合成领域的研究,email: 转 化 生 长 因 子-(transforming growth fac-tor-

6、,TGF-)是一种多功能细胞因子,广泛存在于哺乳动物的组织细胞和转化细胞中,自 20 世纪 70 年代末被发现以来,已在哺乳动物中发现了 33 个该家族成员配体,包括 TGF-、骨形态发生 蛋 白(bone morphogenetic protein,BMP)、激活素、抗缪勒式管激素(anti-Mllerian hormone,AMH)、生长分化因子(growth and differentiation factors,GDF)和结节素(nodal)等。这些配体具有相似的结构,并共享信号转导的基本机制,在生物体生殖细胞、胚胎和各种组织或器官中广泛表达,与细胞增殖、分化、转分化、细胞外基质(ex

7、tracellular matrix,ECM)重塑、衰老和细胞凋亡等多种细胞行为密切相关1。TGF-配体通过与细胞膜表面的特异性受体(即 TGF-受体)结合才能发挥生理效应。ALK5 为 TGF-型受体中研究最为广泛的一个亚型,抑制该亚型可以产生抗肿瘤等作用。本文在介绍 TGF-、相应受体及相关信号通路的基础上,对近年来报道的 ALK5抑制剂的各种生物活性进行梳理,希望为今后的ALK5 抑制剂研究提供有益参考。1TGF-、TGF-受体及相关信号通路TGF-是一种由两个含有 112 个氨基酸的单体通过二硫键连接的蛋白质,目前已发现 6 种亚型,其中 TGF-1(占 90%以上,活性最强)、TGF

8、-2 和TGF-3 3 种亚型常见于哺乳动物体内,它们能够通过与 TGF-型受体(TR,也称为作为激活素受体样激酶,ALK)和型受体(TR)这两种类型的跨膜受体的结合来触发细胞内信号2-3。目前,已经鉴定出 7 个 TR亚型(ALK1 ALK7)和 5 个 TR亚型,这两种受体在所有细胞中均能表达,它们可以与相应的 TGF-超家族成员形成特2699中南药学 2023 年 10 月 第 21 卷 第 10 期Central South Pharmacy.October 2023,Vol.21 No.10 定的异性复合物进行信号传递,从而发挥相应的细胞功能。初始合成的 TGF-是以非活性前体的形式

9、存在(即潜伏期 TGF-),需要通过潜伏 TGF-结合蛋白(latent TGF-binding protein,LTBP)和潜伏期相关肽(latency-associated peptide,LAP)组成的复合物激活后才能发挥相应的生物效应4。激活后的 TGF-首先与 TR 结合进行信号传导,将ALK5 募集到高度保守的富含 Gly-Ser的近膜区域(GS区)使其发生构象调节并激活5。然后,被激活的 ALK5 将信号进一步传递给其下游底物 SMAD蛋白SMAD2 和 SMAD3,便完成了经典的SMAD信号通路传导(见图 1)6。图 1TGF-/Smad 信号通路Fig 1TGF-/Smad

10、signaling pathway除了经典的 SMAD信号通路,TGF-还可以通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶 B(phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B,PI3K/Akt)、Rho-Rock等激活非 SMAD途径,从而影响 TGF-因子下游的一些关键细胞的生长发育过程7。由于 ALK5 在 TGF-信号通路中起着至关重要的作用,因此被视为治疗多种癌症、纤维化疾病的重要靶点。近年来,ALK5 抑制剂在治疗其他疾病如青光眼、血脑屏障损伤及肠道疾

11、病等方面也取得了一定的进展8。2ALK5 抑制剂的生物活性2.1抗肿瘤作用TGF-是一种众所周知的肿瘤促进因子,如何通过抑制其活性而发挥抗肿瘤作用一直都是研究热点。体外研究显示,ALK5 抑制剂能够有效阻断 SMAD蛋白的磷酸化,从而减少肿瘤的转移,抑制肿瘤细胞的增殖。此外,ALK5 抑制剂还可以通过阻断癌细胞的免疫逃逸来防止肿瘤侵袭9。到目前为止,进行临床试验的 ALK5 小分子抑制剂有化合物 Vactosertib(EW-7197,1)、Galunisertib(LY-2157299,2)、LY-3200882(3)和PF-06952229(4)(见图 2),且临床试验均为实体瘤方向。其中

12、,LY-3200882 因公司战略调整,于2019 年停止产品开发(NCT04158700)。另一产品PF-06952229 早先用于治疗具有高 TGF-特征和上皮-间充质转化(EMT)表达的晚期或转移性癌症患者(NCT03685591),作为单一疗法并与其他治疗药物联合使用,后也因公司的战略调整,于2021 年停止了该产品的开发。Vactosertib是一种口服的可逆性 TGF-型受体酪氨酸激酶抑制剂,IC50为 13 nmolL 110,用于治疗晚期/转移性癌症等。目前,针对晚期/转移性非小细胞肺癌(NSCLC)、转移性胰腺导管腺癌和骨髓增生异常综合征等多种实体瘤的临床试验正在展开。201

13、7 年,该化合物在美国被授予孤儿药称号,用于治疗肝细胞癌。2020 年,Vactosertib/紫杉醇联合用药在美国获得孤儿药资质,用于治疗转移性胃腺癌。2021 年,该产品被指定为孤儿药,用于治疗胰腺癌。最近,Park等11研究表明,口服 Vactosertib可以通过抑制氧化应激、EMT、癌症干细胞(CSC)和纤维化来克服放疗在乳腺癌治疗中的局限性,因此,Vactosertib联合放疗在临床上可能更适用于乳腺癌患者。目前礼来公司对于 Galunisertib(IC50 56 nmolL 1)的研究正处于期临床开发阶段(NCT01246986),用于治疗肝细胞癌、胶质瘤和多形性胶质母细胞瘤,

14、而该药物用于骨髓增生异常综合征治疗的/期临床试验已经完成12。用于治疗转移性胰腺癌、神经胶质瘤、结直肠癌、乳腺癌、转移性去势抵抗性前列腺癌和子宫或卵巢癌肉瘤等的早期临床试验也已经或正在进行中。2013 年,作为欧盟指定孤儿药,Galunisertib用于治疗肝细胞癌和神经胶质瘤。目前处于临床前研究的 ALK5 抑制剂较多,其中有 3 个结构值得关注。Zhang等13利用基于分子对接的虚拟筛选对商业天然产物库进行筛选,发现黄酮苷山柰酚 3-O-龙胆双糖苷(KPF 3-O-G,5)(见 图 2,IC50 2.589 molL 1)是一种有效的 ALK5 抑制剂,这是近年来发现的为数不多的天然产物类

15、 ALK5 抑制剂。该化合物能够通过直接与 ALK5 的 ATP 位点结合,抑制2700Central South Pharmacy.October 2023,Vol.21 No.10 中南药学 2023 年 10 月 第 21 卷 第 10 期Smad2 的磷酸化以及 Smad4 的表达,从而减少细胞增殖并抑制 TGF-诱导的细胞迁移和侵袭。体内研究表明,KPF 3-O-G 给药(40 mgkg 1)能够减少人卵巢癌异种移植小鼠模型中的肿瘤生长,且无明显毒副作用,表明 KPF3-O-G 具有开发成为肿瘤治疗药物的潜力。Xu等14以 LY-3200882 为先导,通过对其进行药效团分析和分子对

16、接研究,对分子中的连接环进行替换,得到了一系列 4-(吡啶-4-氧基)-3-(3,3-二氟环丁基)吡唑衍生物,其中活性最好的化合物 6(见图2)(IC50 30 nmolL 1)的体外、体内活性及药代动力学特征均优于 LY-3200882,表现出良好的抗肿瘤疗效。此外,由于 p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)对肿瘤坏死因子-具有重要调控作用,因此,抑制 p38MAPK 被视为治疗肿瘤的一种有效手段15-16。近年来,对于 ALK5及 p38MAPK 双靶点抑制剂的研究,也取得了较好的结果。Liu 等17在前人研究的基础上,设计合成了 4-(1H-吲唑-5-基)-5-(6-甲基吡啶-2-

17、基)-1H-咪唑和 4-(1-甲基-1H-吲唑-5-基)-5-(6-甲基吡啶-2-基)-1H-咪唑两个系列的化合物,并评估了它们对 ALK5 和 p38MAPK 的抑制作用,结果显示,化合物 J-1090(7,见图 2)对两者均表现出了强大的抑制作用,IC50值均为 4 nmolL 1。进一步的体外研究表明,该化合物能够通过抑制 TGF-诱导的 EMT 来抑制肿瘤细胞的迁移和侵袭。2.2抗纤维化作用TGF-1 最初被发现时,便因其能够刺激软琼脂中培养的大鼠成纤维细胞的生长,而被认为是纤维化的主要细胞因子18。研究表明,在多种 ECM 积累引起纤维化的器官中都能够观察到TGF-的过表达19-20

18、。因此,抑制 ALK5 不失为对抗各种器官纤维化的有效策略。目前,抗纤维化作用的 ALK5 小分子抑制剂均处于临床前研究阶段,尚未有药物进入临床研究阶段。Yue 等21在 MPLW515L 和 JAK2V617F 小鼠模型中,发现 Galunisertib无论在体内还是体外,均能够消除由于骨髓纤维化引起的胶原蛋白和胶原蛋白的持续过量产生,明显改善了小鼠的骨髓纤维化程度,为阻断 ALK5 作为骨髓纤维化治疗策略提供了临床前依据。Ferreira 等22使用GW-788388(8,见图 2)对克氏锥虫(来自哥伦比亚毒株的 102 种寄生虫)感染后的小鼠进行口服治疗(3 mgkg 1),发现 GW-

19、788388 有效逆转了富含连接蛋白-43 的细胞间斑块的损伤,并减少了心脏组织的纤维化,因此,抑制 TGF-通路可能是美洲锥虫病心脏病慢性期心脏纤维化治疗的重要且可靠的策略。Reznckova等23设计并合成了一系列以 2,3,4-取代的 5,5-二甲基-5,6-二氢-4H-吡咯并 1,2-b 吡唑结构为核心的衍生物,其中化合物 9(见图 2)活性最好,对 ALK5 的 IC50值为80 nmolL 1。细胞研究表明,这些化合物能够通过引起 Smad2/3 的剂量依赖性去磷酸化,阻断Smad2/3 向 TGF-刺激的细胞核的转位,呈现出抗纤维化作用。Zhu等24报道了一系列含有 1,2,4

20、三唑并 1,5-a 吡啶-6-基部分的化合物,并评估了这些化合物对 ALK5 和 p38激酶的抑制活性,发现在吡唑环的4-位插入苯并 c1,2,5 噻二唑-5-基部分可显著提高 ALK5 激酶的活性。其中最有效的化合物 10(见图 2)的 IC50值为 30 nmolL 1,对 p38激酶的选择性指数为235,是 LY-2157299 的 59 倍,与 EW-7197 相当。免疫细胞化学染色、蛋白质印迹和 RT-PCR 测定结果均显示化合物 10 有效抑制了 TGF-诱导的肝星状细胞(HSC)活化,对肝纤维化治疗表现出极高的治疗潜力,有望成为治疗肝纤维化的临床前候选药物。Zheng等25设计合

21、成了多种噻吩并 3,2-c 吡啶-2-基吡唑衍生物,并评价了它们对 ALK5 的抑制活性,发现化合物 J-1063(11,见图 2)(IC50 30 nmolL 1)能够有效抑制TGF-诱导的活化 HSC 的纤维化和炎症,减少硫代乙酰胺诱导的小鼠肝纤维化中巨噬细胞和中性粒细胞的浸润,其延缓肝纤维化的进展及抑制伴随的炎症的能力明显优于 Galunisertib。该化合物不仅具有优越的药理作用,而且合成相对简单,是治疗和预防肝纤维化的有希望的候选药物。Xie等26通过虚拟筛选和药效团构建设计并合成了一种新型 ALK5 小分子抑制剂 Cpd-0225(12,见图 2),生物活性研究表明该化合物能够通

22、过阻断 Smad依赖性和非 Smad依赖性信号通路,发挥肾保护作用,在体外或体内均能发挥作用,且在相同剂量下,比 SB-431542(13,见图2)具有更好的抗纤维化作用,有望成为治疗慢性肾病的有效临床候选药物。此外,由于对成纤维细胞具有较好的抑制作用,SB-431542 最新用于青光眼小梁切除术后滤过泡瘢痕化的防治,且有望替代早先使用的丝裂霉素 C等细胞毒类药物,因为 ALK5 抑制剂具有更低的细胞毒性27。2701中南药学 2023 年 10 月 第 21 卷 第 10 期Central South Pharmacy.October 2023,Vol.21 No.10 2.3促进肠神经胶质

23、细胞转化为神经元肠神经系统(enteric nervous system,ENS)由肠壁中的肌间神经丛和黏膜下神经丛组成,该系统主要包含肠胶质细胞和肠神经元。多种不良因素,如炎症、衰老、饮食改变、代谢紊乱等,都可能导致肠神经元损伤或 ENS 功能失调,从而引起胃肠动力和感觉功能障碍,如胃轻瘫、肠易激综合征和先天性巨结肠等28-30。对于患有先天性巨结肠的儿童,手术切除整个肠道结肠或部分结肠仍然是治疗的主要选择,但这种治疗不能预防生命后期发生的小肠结肠炎、便秘或失禁等终生并发症。尽管在成人肠道中产生新神经元的手段相对有限,但添加新的肠神经元来替代受损的神经元将仍是修复 ENS 功能障碍的解决方案

24、。Medina等31研 究 发 现,SD-208(14,见 图2)能够通过 TGF-/ALK5/SMAD通路参与实验性肠纤维化的发病机制,在厌氧菌和三硝基苯磺酸诱导的结肠炎的动物模型中,有效抑制由于Smad2 和 Smad3 的磷酸化以及 ALK5 蛋白、组织金属蛋白酶抑制剂-1(tissue inhibitor of matrix metalloproteinase,TIMP)和型胶原2(2 type 1 collagen,COL12)重组蛋白表达上调产生的纤维化。Shi等32发现在正常成年小鼠模型中,用RepSox(15,见图 2)3 及 10 mg/(kgd)灌胃,持续给药 2 周,结果

25、显著促进了 ENS中肠神经胶质细胞向神经元的转化,并对小鼠的胃肠道运动产生了一定的影响。EW-7197 和 LY-257299 也能产生与 SD-208 相似的效果,并且利用 shRNA下调肠神经胶质细胞中 ALK5 的表达也会产生类似效果,进一步证实了 ALK5 信号通路在肠神经胶质细胞向神经元的转变中发挥了重要作用。这些结果表明,抑制 ALK5 可能是一种有前途的治疗肠道疾病的有效策略。图 2ALK5 小分子抑制剂Fig 2ALK5 small molecule inhibitors2.4血脑屏障保护作用研究表明,星形胶质细胞中 TGF-受体的条件性基因敲除或 TGF-信号传导的药理学抑制

26、均能够逆转老年小鼠的血脑屏障受损(blood brain barrier disruption,BBBD)。同时,在接受 TGF-抑制治疗的患有血脑屏障(blood brain barrier,BBB)的老年人群受试者中,发现同样的信号通路被激活33。Atis等34通 过 使 用 SB-431542 对 血 管 紧 张素(angiotensin,ANG)诱导的高血压小鼠进行治疗,发现 SB-431542 能够降低由于 ANG输注引起的 BBB对白蛋白 Alexa fluor 594 的渗透性2702Central South Pharmacy.October 2023,Vol.21 No.10

27、 中南药学 2023 年 10 月 第 21 卷 第 10 期的增加,因此抑制 TR可以防止高张力条件下BBBD,可作为一种新的治疗方式来保护高血压患者的大脑。Preininger等35使大鼠海马体长期暴露于血清白蛋白,通过 TGF-信号传导诱导星形胶质细胞应激诱导的早衰,发现在对 BBBD大鼠模型每日使用 ALK5 抑制剂 IPW-53715(结构未见公布)进行给药后,海马组织中衰老星形胶质细胞的负担显著减轻,这也进一步验证了 ALK5 抑制剂IPW-5371 能够有效预防 BBBD。2.5降低眼压作用青光眼是一种进行性眼部疾病,可导致不可逆的视网膜神经节细胞死亡,是全球视力丧失的主要原因。

28、由于现有药物或治疗方法均会产生耐药性或者不同程度的不良反应如心律失常和支气管收缩等,因此亟需开发治疗青光眼的新疗法36-37。眼内压(intra-ocular pressure,IOP)升高是青光眼发生和发展最重要的危险因素,降低 IOP已被证明可有效治疗青光眼。IOP由房水的产生和流出控制,小梁网是房水从眼睛排出的主要途径。Aoshima等38研究表明,ALK5 抑制剂 SB-431542能够通过抑制小梁网中 ECM的产生达到降低 IOP的目的,并且其作用优于 Rho相关的卷曲蛋白激酶抑制剂 Y-27632,每日一次重复使用可增强小鼠的 IOP降低效果。因此,ALK5 抑制剂或许可以作为治疗

29、青光眼的新疗法进行开发。3小结与展望TGF-几乎渗透到人体内各生物学过程中的方方面面,形成了一个巨大的信号网络,其生物活性的研究一直都在进行中。ALK5 作为 TGF-/Smad信号通路中不可或缺的一环,其抑制剂在TGF-抑制剂中占据着举足轻重的地位。虽然至今尚未有 ALK5 小分子抑制剂被批准上市,但目前在研药物中,EW-7197 和 LY-2157299 在临床试验中均有良好的表现,并且不少活性好的新型小分子抑制剂也不断被发现。尤其是具有 ALK5抑制活性的天然产物也逐渐被发现,对其进行结构改造也呈现出广阔的前景。在生物活性方面,ALK5 小分子抑制剂除了具有抗肿瘤和纤维化作用以外,在肠道

30、疾病、BBBD和青光眼治疗等方面也有一定的价值。总之,随着对 ALK5 小分子抑制剂的研究深入,更多安全有效的 ALK5 小分子抑制剂将进入临床发挥治疗作用。参考文献1 Jia S,Meng A.TGF family signaling and development J.Development,2021,148(5):dev188490.2 Chen S,Mamai O,Akhurst RJ.TGF:signaling block-ade for cancer immunotherapy J.Annu Revi Cancer Biol,2022,6(1):123-146.3 Heldin C

31、H,Moustakas A.Signaling receptors for TGF-family members J.CSH Perspect Biol,2016,8(8):a005900.4 Tzavlaki K,Moustakas A.TGF-signaling J.Biomole-cules,2020,10(3):487.5 Groppe J,Hinck CS,Samavarchi-Tehrani P,et al.Coop-erative assembly of TGF-superfamily signaling complex-es is mediated by two dispara

32、te mechanisms and distinct modes of receptor binding J.Mol Cell,2008,29(2):157-168.6 Wrana JL,Attisano L,Wieser R,et al.Mechanism of activation of the TGF-receptor J.Nature,1994,370(6488):341-347.7 Moustakas A,Heldin CH.Non-smad TGF-signals J.J Cell Sci,2005,118(16):3573-3584.8 盖小雄,周启璠,陈国良.转化生长因子-抑制

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36、g ZH,Qiao Y,Yang L,et al.Kaempferol 3-O-gen-tiobioside,an ALK5 inhibitor,affects the proliferation,migration,and invasion of tumor cells via blockade of the TGF-beta/ALK5/Smad signaling pathway J.Phytother Res,2021,35(11):6310-6323.14 Xu GF,Zhang Y,Wang H,et al.Synthesis and biologi-cal evaluation o

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