低氧诱导因子1抑制剂的抗肿瘤研究进展
牛非, 李燕, 来芳芳, 陈晓光*
(中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所, 天然药物活性物质与功能国家重点实验室, 北京 100050)
摘要: 低氧常常发生于急慢性血管疾病和肿瘤形成中。肿瘤细胞适应低氧是由转录因子中的低氧诱导因子1 (hypoxia-inducible factor 1, HIF-1) 维持的。HIF-1α亚基受氧调控, 决定HIF-1的活性, 它可引起临床上的治疗耐
受、生长增殖、侵袭转移, 最终导致病人的生存期缩短。因此了解HIF-1特性及其在信号通路、药物抵抗中的作
用, 是开发新的抗癌疗法的关键。近年来, 针对HIF-1α抑制剂的研究倍受关注。选择性的HIF抑制剂将为癌症
及与HIF相关的疾病提供新的治疗手段。在该篇综述中, 作者将围绕HIF的生物学特性及作用机制对目前正在
研究的HIF-1抑制剂加以概述。
关键词: 低氧; 抗肿瘤; HIF-1; HIF-1抑制剂; 新药开发
中图分类号: R963 文献标识码:A 文章编号: 0513-4870 (2014) 06-0832-05
Research progress of hypoxia-inducible factor 1 inhibitors against tumors
NIU Fei, LI Yan, LAI Fang-fang, CHEN Xiao-guang*
(State Key Laboratory of Bioactive Substances of Functions of Natural Medicines, Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100050, China)
Abstract: Hypoxia occurs in chronic and acute vascular diseases and tumor formation. The ability of tumor cells to maintain a balance between an adaptation to hypoxia and cell death is regulated by a family of transcription factors called hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1). Tumor hypoxia mediated by HIF-1 would facilitate the likelihood of resistance to chemotherapy and radiotherapy, proliferation, metastasis and the invasive potential; all of which culminate in a decrease in patient survival. And HIF-1α subunit decides the activity of HIF-1, which is regulated by oxygen. So understanding the role of HIF in signal pathway, drug resistance mechanism and its feature is crucial for developing novel anticancer therapies. In recent years, more attentions have focused on HIF-1α inhibitors. It is expected that development of more potent and selective HIF inhibitors will provide an effective treatment of cancer and other HIF-related diseases. So we will focus on the biological characteristics and mechanism of HIF-1 to review currently studied HIF-1 inhibitors.
Key words: hypoxia; anti-tumor; HIF-1; HIF-1 inhibitor; drug development
肿瘤的快速增殖需要持续的氧与营养的供应。当组织生长的速度远远超过周围血管供应这些营养成分的能力时, 缺氧便应运而生。缺氧与肿瘤的血管
收稿日期: 2014-02-28; 修回日期: 2014-04-10.
基金项目: “重大新药创制”科技重大专项“十二五”计划(2012ZX09301002-006); 北京市自然科学基金重点项目
(7121010); 北京协和医学院2013年研究生创新基金项目. *通讯作者 Tel / Fax: 86-10-63165207, E-mail: chxg@https://www.doczj.com/doc/9a2213944.html, 新生、侵袭转移、放化疗抵抗和预后不良等密切相关[1]。低氧诱导因子 1 (hypoxia-inducible factor 1, HIF-1) 是缺氧效应调控中最为关键的核转录调控因子[2]。HIF-1在实体肿瘤组织内选择性持续高表达, 下游关键调控基因与肿瘤的发生发展密切相关, 如促进血管生成、细胞存活、抑制肿瘤细胞凋亡、代谢重塑以及pH稳态的调节[3]。
各种实体瘤普遍存在着预后差、放化疗治疗有限、目前尚没有有效的药物治疗等特点, 因此基于肿瘤自身的分子生物学基础的新疗法将有望提高患者的总生存期[4]。正是由于不同时空下癌症细胞所处的环境中氧含量不同, 由此激活的促进肿瘤生长的信号通路通常不会在正常组织中被诱导, 所以低氧信号通路就成为了潜在的治疗靶点。以HIF-1为靶点的特异性小分子抑制剂也成为肿瘤缺氧效应调控药物研发的重点。
本综述将一方面阐明HIF-1的生物学功能及在抗药性中发挥的作用, 另一方面着重概括目前已申请专利及正在研究的特异性针对HIF信号通路的抑制剂, 以期为药物研究与开发提供思路上的参考。
1 HIF-1的生物学功能
HIF-1是由α亚基和和β亚基构成的异源二聚体, HIF-1α是已知与肿瘤内缺氧调节基因表达调控最为相关的亚型。β亚基在细胞内表达后相对稳定, 不受缺氧因素所调控。缺氧条件下, HIF-lα泛素依赖蛋白酶体降解通路受阻, HIF-lα得以稳定存在, 转入细胞核内与β亚基形成HIF-1, 之后同CBP/p300等共转录因子结合后与下游基因上的HRE序列结合, 从而启动或增强效应基因的转录。已知HIF-1α所调控的下游基因超过70种, 其中大多与肿瘤的发生发展密切相关[5]。血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor, VEGF) 是HIF-1α最重要的靶基因之一, 亦是新生血管的关键调控因子。VEGF对血管内皮细胞有特异性促分裂增殖作用, 具有很强的血管通透性并与细胞外基质相联系, 有利于肿瘤血管生成和浸润。在组织缺氧时, HIF-1α不仅可以促进VEGF 转录, 还能增加VEGF mRNA稳定性, 从而上调VEGF表达[6]。肿瘤细胞侵袭转移能力与其产生或诱导基质金属蛋白酶 (matrix metalloproteinases, MMPs) 的能力密切相关。有研究表明, HIF-1α可通过诱导MMPs表达上调而促进恶性肿瘤转移[7]。此外, HIF-1α还可通过影响肿瘤黏附分子表达而促进肿瘤转移。有研究显示, HIF-1α表达增加可导致上皮型钙黏素(E-cadherin, E-cad) 与β-链蛋白(β-catenin, β-cat) 表达下降, E-cad/β-cat复合体破坏可使细胞?细胞、细胞?基质间黏附性降低, 最终导致细胞分离、移动而转移[8]。
众多胞内信号途径可以共同调节HIF-1的活性, 如PI3K/Akt/mTOR、MAPK和HSP90系统等。这些途径中最为重要的是磷脂酰肌醇3-激酶 (phosphati-dylinositol 3-kinase, PI3K), 一种通过调节细胞内信号变化进而增加HIF-1α蛋白表达水平的酶[9]。PI3K 下游的一个主要的靶分子是丝/苏氨酸蛋白激酶Akt, PI3K使Akt活化可以激活HIF-1介导的通路进而增加VEGF的转录水平。由Akt激活引起HIF-1α蛋白水平的增加的确切机制并不十分清楚, 但可以肯定的是Akt是通过增加HIF-1α蛋白的合成与促进HIF-1α的稳定性实现的。很多因素均可阻断PI3K对HIF-1α的激活, 如药理学抑制和肿瘤抑制基因PTEN。
2 HIF-1介导的抗药性的机制
除了HIF在常氧和低氧环境中的作用外, 大量研究表明HIF-1在低氧诱导的抗药性中也发挥着一定的作用。然而HIF引起抗药性的分子机制是错综复杂的, 并取决于肿瘤的种类, 大致可分为以下几种情况: ① HIF-1介导的药物外流的调节。Comerford 等[10]于2002年报道, 发现HIF-1在低氧环境中可以激活多药耐药1 (multidrug resistance 1, MDR1) 基因的表达。MDR1作为HIF-1的靶基因诱导P-gp的表达, 后者可以降低细胞内化疗药物的浓度, 这一现象在胶质瘤、胃癌、乳腺癌以及结肠癌中都有报道[11, 12]。
② HIF-1介导的细胞增殖和存活水平的改变。Maddika 等[13]指出, 细胞凋亡的缺陷以及(或) 细胞周期调节的改变均是药物抵抗的重要影响因素。因此研究发现HIF调节一系列促凋亡因子(如BNIP3、NIX和NOXA) 以及抗凋亡因子(如Bak、Bax、Bcl-xL、Bcl-2、Bid、Mcl-1、NF- B、p53和survivin) 的表达也是不足为奇的; 同时, HIF-1也可以通过靶基因BNIP3的表达, 拮抗抗凋亡因子(如Bcl-2和Bcl-xL) 的表达, 引起一定程度上自噬反应的产生[14], 但HIF-1在调节凋亡过程中的确切作用还有待于进一步研究。Rohwer等[15]于2010年指出, 在胃癌细胞中, 给予化疗药物5-FU后发现HIF-1对p53激活有抑制作用, 这也说明HIF-1对化疗药物诱导的凋亡途径可能是依赖于p53途径的。③ HIF-1介导的DNA损伤的抑制。研究表明, HIF-1可以通过拮抗依托泊苷(etoposide), 经典的DNA双链断裂诱导剂, 发挥更强的抗药性作用[16]。④ HIF-1介导的代谢重组。肿瘤恶性转化与代谢重组密切相关, HIF-1亦可以通过不同的机制降低线粒体的活性, 进而不仅控制了凋亡和坏死的发生, 而且降低了活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 的产生, 最终导致HIF驱使的治疗的失败。这一现象得到了一定研究的证实, 如VHL缺失的肾细胞中恢复VHL的活性, 或是小鼠胚胎成纤维细胞基因的失活以及胃癌细胞中RNAi导致的HIF-1α活性的抑制均可以明显观测到细胞内ROS浓
度的增加[15, 17]。
3 影响HIF-1α信号级联的抑制剂
目前, 针对抑制HIF-1α的表达和(或) 活性的研究不断被报道。本综述基于HIF公认的作用机制讨论相关化合物, 以期为这些化合物的临床发展提供有益的见解。
3.1 影响HIF-1α的合成及降解 HSP90抑制剂格尔德霉素具有潜在的抗肿瘤活性。HIF-1α是HSP90的客户蛋白之一。研究表明, 格尔德霉素在常氧及低氧条件下以时间和剂量依赖的方式, 通过一种新的氧非依赖的E3泛素连接酶诱导肾癌细胞和前列腺癌细胞中泛素和蛋白酶体介导的HIF-1α的降解, 这一降解水平可由蛋白酶体抑制剂乳胞素和MG-132逆转[18]。它还可以极大程度地降低低氧诱导的VEGF mRNA的聚集和低氧依赖的血管生成活性, 但是否影响HIF-1α mRNA水平尚存在争议。17-烯丙基氨基格尔德霉素(17-AAG, Tanespimycin) 是一种毒性较低、更为稳定的格尔德霉素衍生物, 目前该药已完成罕见的遗传VHL基因的肾脏肿瘤的临床试验研究。
小檗碱也能通过促进泛素/蛋白酶体途径降解HIF-1α并缩短其半衰期[19], 对该过程的评价仍在进行中。HIF-1α信号的关键在于转录后的修饰, 包括组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferases, HATS) 介导的乙酰化以及组蛋白去乙酰化酶 (histone dea-cetylases, HDACs) 介导的去乙酰化。近来, 已证实HDACs是应对缺氧调节HIF-1α表达所增加的信号。HDACs抑制剂也可通过诱导HIF-1α蛋白降解及调节HIF-1的转录活性而抑制HIF的表达[20]。
3.2 影响HIF-1α的转录水平 EZN-2968[21]是由寡聚核苷酸组成的, 可通过锁核酸技术特异性结合RNA的拮抗剂, 能够抑制HIF-1α mRNA的表达。体外证实它可引起对HIF-1α mRNA和蛋白的持续拮抗(IC50: 1～5 nmol·L?1), 并具有选择性, 这与抑制前列腺癌 (15PC3、PC3和DU145) 和胶质母细胞瘤(U373) 细胞生长密切相关。而且, HIF-1α蛋白的下调引起靶基因及人脐静脉内皮细胞管腔形成的降低。体内进一步验证了这一结果。目前已完成关于伴随肝转移的实体瘤的Ⅰ期临床研究。
另外一个影响HIF-1α mRNA表达的是氨基黄酮(aminoflavone, AF)[22]。它是芳烃受体(arylhydrocarbon receptor, AhR) 的配基, 目前已完成转移癌患者的I 期临床试验。AhR能与HIF-1β形成二聚体, 但AF 对HIF-1α聚集的抑制是非AhR依赖的。因此AF抑制HIF-1的机制可能是通过调节HIF-1α mRNA表达水平实现的, 但确切的机制还没有完全阐明。
3.3 影响HIF-1α的翻译水平喜树碱类似物拓扑替康是Topo I的抑制剂, 有趣的是, 该化合物通过依赖于Topo I但不依赖于DNA损伤的方式抑制HIF-1α的翻译, 这也表明药物的细胞毒作用与HIF-1α的抑制在机制上是不同的[23]。同样, 抑制Topo I的其他化合物也具有抑制HIF-1α蛋白翻译的活性, 由于拓扑替康具有较短的半衰期, 开发其他能够持续抑制HIF-1的Topo I抑制剂是下一步研究的重点。
能够抑制HIF-1α蛋白翻译的化合物还有强心苷类的地高辛, 它被FDA鉴定为潜在的HIF-1活性的抑制剂[24]。但亦有研究表明, 强心苷类化合物抑制HIF-1α的机制是通过产生ROS导致HIF-1α泛素化降解, 该部分研究还在进行中。
3.4 影响HIF-1α转录复合物的形成 毛壳素是由黑毛菌属真菌产生的天然产物, 具有广泛的生物活性, 包括抗菌、抗炎及抗癌[25]。毛壳素抑制HIF的活性作用于2006年被发现。由DELFIA荧光含量分析得出, 毛壳素 (IC50: 12.5 μmol·L?1) 可抑制HIF-1α与p300的相互作用。
弱的DNA结合嵌入剂NSC 644221是一种芳香族类化合物, 研究显示出它可剂量依赖性地降低U251-HRE细胞缺氧诱导的荧光素酶的表达 (EC50: 1 μmol·L?1)[26]。而新的噻唑烷酮化合物在低氧环境下也能抑制肿瘤细胞HIF-1α与p300的相互作用并阻止VEGF的产生。以咪唑并[1, 2-a]吡嗪酰胺为基本结构的酪氨酸激酶抑制剂, 也可以抑制HIF-1的表达以及HIF的信号转导途径。
已被FDA批准用于治疗多发性骨髓瘤及淋巴瘤的蛋白酶体抑制剂硼替佐米, 有研究发现该化合物的抗肿瘤活性可能与其具有抑制HIF-1α转录活性的能力有一定的相关性[27]。在nmol·L?1浓度下, 硼替佐米能够通过增加FIH与HIF的结合, 破坏p300与HIF-1α的相互作用。
3.5 抑制HIF-1α与HRE的结合 HRE是HIF-1α的DNA结合位点, 它可以促进HIF-1α相关靶基因的表达。体外实验表明[28], 棘霉素 (NC-13502) 有很强的低氧选择性的细胞毒性作用, 它通过抑制HIF 与VEGF启动子区HRE的结合发挥作用, 但并不影响HIF与AP-1或NF-κB启动子区HRE的作用。而染色质免疫共沉淀研究表明, 棘霉素也可以抑制HIF-1与DNA的结合[29]。
加州理工大学的研究指出与DNA结合的聚酰胺(polyamide)[30]类化合物能降低HIF与HRE (5'-TAC
GTG-3') 的结合, 进而抑制HIF诱导的基因的表达,
如VEGF、VEGF receptor-1 (FIt-1)、endothelin-1、endothelin-2、endothelin-3等。
4 结论
瘤内低氧分子机制的理解将有助于使靶向低氧
细胞信号用于癌症的治疗。肿瘤的生长增殖可能共享HIF-1α的激活途径, 因此明确HIF在特定肿瘤中的
个体作用至关重要。虽然还没有上市的HIF-1α抑制剂, 但各项研究都不同程度地支持将HIF-1α抑制剂
作为治疗靶点的评定。充分研究以药效学为基础的HIF抑制剂, 一方面可以改善肿瘤细胞耐药的产生,
增加放化疗的疗效, 另一方面也为联合其他药物更
好地治疗肿瘤, 改善患者的生存状态提供了可能性。
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