激酶抑制剂及其抗病毒潜力

2023-02-04

激酶是一种催化磷酸基团从高能磷酸酯的供体分子（例如ATP三磷酸腺苷）转移到特定底物（含亲核基团的化合物）的酶。

激酶介绍

激酶是一种催化磷酸基团从高能磷酸酯的供体分子（例如ATP三磷酸腺苷）转移到特定底物（含亲核基团的化合物）的酶。这个过程称为磷酸化（phosphorylation），它的逆过程称为去磷酸化（dephosphorylation，去磷酸化由另一种酶phosphatase磷酸酶介导）。这个过程从化学反应的角度来看属于酯交换反应（绝大多数底物为羟基化合物），产生磷酸化底物（例如磷酸酯）和 ADP（二磷酸腺苷，如果供体分子为ATP的话）（图1）。

图1. 激酶催化的ATP介导的磷酸化反应过程。

从底物的角度来分类，激酶可以分为四大类：蛋白质激酶（protein kinase）、脂质激酶（lipid kinase）、碳水化合物激酶（carbohydate kinase）和其它激酶（例如核黄素激酶Riboflavin kinase和胸苷激酶Thymidine kinase等），它们分别催化蛋白质、脂质、糖类和其它受体的磷酸化过程。这些分子的磷酸化状态，会显著影响它们的生物活性、反应性和结合其他分子的能力。

例如激酶家族中最重要的蛋白质激酶，它们通过磷酸化蛋白质的丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸或组氨酸残基来作用于蛋白质。可以增加或减少蛋白质的活性，稳定它或标记它以进行破坏，将它定位在特定的细胞区室中，并且启动或破坏它与其他蛋白质的相互作用。^[1]因此，激酶在新陈代谢、细胞信号传导、蛋白质调节、细胞转运、分泌过程和许多其他细胞通路中至关重要，这使得它们对人体生理学非常重要。

激酶与人类疾病的关系

人类基因组中编码了 518 种激酶，这些酶磷酸化多达三分之一的蛋白质组。^[2] 实际上，每个信号转导过程都是通过磷酸转移级联发生的。作为大多数细胞通路的关键调节剂，蛋白质激酶经常与疾病相关，激酶为许多异常调节的生物过程的治疗干预提供了多个节点。^[3]除此之外，激酶还可以作为致病因子直接导致人类疾病。激酶介导的疾病最主要体现在癌症领域。除了癌症，激酶功能的失调已被证明在免疫、炎症、退行性、代谢、心血管和传染病中发挥关键作用。^[4]总体来说，癌症、免疫疾病，以及退行性疾病是激酶介导的三大类主要疾病类型。

蛋白激酶抑制剂（Kinase Inhibitors）

上文提到，蛋白激酶可以直接作为致病因子，或者作为关键节点参与疾病的过程。蛋白激酶的突变、失调和过度表达与多种疾病过程有关。每 40 个人类基因中大约有 1 个编码蛋白激酶，其中将近一半的基因能够映射到疾病位点或癌症扩增子。^[5]

因此开发相应的激酶抑制剂（kinase inhibitors），靶向那些对疾病的形成产生关键介导作用的蛋白激酶，就成为了治疗这些激酶相关疾病的重要手段，这一点在癌症治疗领域尤为突出。鉴于磷酸化调节许多生物过程，蛋白激酶抑制剂可用于治疗由过度活跃的蛋白激酶（包括癌症中的突变或过度表达的激酶）引起的疾病，或调节细胞功能以克服其他疾病驱动因素。

2001 年，FDA 批准了酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼（imatinib，以“替尼tinib”作为词根的药物大多数是酪氨酸激酶抑制剂，“t”代表“tyrosin酪氨酸”，“in”指代“激酶kinase”; “ib”指向“抑制剂inhibitor”）。

对于伊马替尼这个 API 通用名感到陌生的人，如果听到它的商品名“格列卫”的话，就可能立刻联想起电影《我不是药神》里的那盒能够拯救很多人生命的药片了。伊马替尼是是一种口服化疗药物，属于小分子酪氨酸激酶抑制剂。它以商品名 Gleevec 和 Glivec（均由 Novartis 在全球销售）等品牌销售，靶向多种酪氨酸激酶受体，如 CSF1R、ABL、c-KIT、FLT3 和 PDGFR-β。^[6]

它用于费城染色体阳性 (Ph+) 的慢性粒细胞白血病 (CML) 和急性淋巴细胞白血病 (ALL)、某些类型的胃肠道间质瘤 (GIST)、嗜酸性粒细胞增多综合征 (HES)、慢性嗜酸性粒细胞白血病 (CEL) 、系统性肥大细胞增多症和骨髓增生异常综合征。^[7] 自伊马替尼问世以来，酪氨酸激酶抑制剂的应用一直在不断扩大，特别是由于酪氨酸激酶在细胞信号传导中的关键作用而用于癌症治疗。^[8]

伊马替尼的上市对于激酶抑制剂药物的开发来说是一件具有里程碑意义的事件，自从 2001 年实现商业化之后，激酶抑制剂类的药物就不断地被各个监管机构审批通过（图1）。伊马替尼之后，至少有 75 款小分子激酶抑制剂药物得到了 FDA 的批准上市。它们中的大多数是口服制剂，靶向 20 多个激酶家族，代表了将近四分之一的人类激酶组。

图1. FDA批准小分子激酶抑制剂药物年份数量图。

肿瘤学仍然是小分子激酶抑制剂药物的主战场，它造就了诸如 Ibrutinib 依鲁替尼（商品名Imbruvica，酪氨酸激酶抑制剂，适应症：套细胞淋巴瘤、慢性淋巴细胞白血病和华氏巨球蛋白血症等）和 Palbociclib 哌柏西利（商品名Ibrance，细胞周期蛋白依赖性激酶 (cyclin-dependent kinases) CDK4 和CDK6抑制剂，适应症：HR 阳性和 HER2 阴性乳腺癌）这样的重磅炸弹型药物。部分 FDA 批准的激酶抑制剂药物见图2。

图2. 部分FDA批准的激酶抑制剂药物分子结构。

从化学结构的角度来看，很多激酶抑制剂都含有芳香杂环的骨架结构，例如嘧啶、吡啶、嘌呤、喹啉等（图2，图3）。这些芳香杂环可以与受体激酶的铰链结合区域（hinge binding region）充分有效地结合。

图3. 激酶抑制剂常见的芳香杂环结构。

激酶抑制剂在抗病毒和抗SARS-CoV-2领域的功效

考虑到激酶在生物体内的广泛作用，激酶抑制剂在抗病毒领域也可以发挥重要功效，尤其是在广谱抗病毒药物（BSA, broad-spectrum antivirals）方面。

我们知道，目前上市的大部分抗病毒药物是直接针对致病病毒作用的，该类抗病毒药物被称作直接抗病毒药物（DAA，direct-acting antivirals），它们靶向病毒基因组编码的蛋白质。这种策略的主要缺点在于病毒产生耐药性和狭窄的治疗窗口，因此以激酶抑制剂为代表的广谱抗病毒药物开始受到关注，尤其是在 Covid-19 大爆发之后，人们更深刻地意识到了广谱抗病毒药物在病毒爆发初期快速有效抑制新病毒的功效。病毒依赖于多种宿主细胞蛋白，磷酸化在病毒生命周期中至关重要。^[9]

图4. Dasatinib化学结构。

大量证据支持激酶抑制与抗病毒特性之间的关系，包括 Numb 相关激酶（NAKs）、受体酪氨酸激酶（RTKs）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、Src 激酶、细胞周期蛋白依赖性激酶 (CDK) 和磷脂酰肌醇 3-磷酸 5 激酶 (PIKfyve) 等。^[10]

因此，激酶抑制剂在药物再利用（Drug Repurposing）研究中取得了显著的进展，可以将具有抗病毒活性的激酶抑制剂转化为治疗病毒感染的新策略。值得注意的是，多激酶抑制剂达沙替尼（Dasatinib，图4）的抗病毒研究已取得重要成果，无论是单独使用还是与其他化合物联合使用，它都显示出作为抗病毒剂（抗HIV）的巨大潜力。^[11]（*达沙替尼是由百时美施贵宝生产癌症治疗药物，是针对费城染色体（Philadelphia chromosome）和SRC基因（Src Gene）变异的酪氨酸激酶抑制剂，其主要用于伊马替尼（imatinib）治疗后期的慢性粒细胞性白血病（chronic myelogenous leukemia）以及费城染色体呈阳性的急性髓性白血病（Ph+ ALL）患者。该药也被证明可治疗许多其他类型的癌症，包括加速期的前列腺癌。）

在开发抗 SARS-CoV-2 病毒领域，激酶可能参与了病毒的复制过程。激酶抑制剂可能具有抗病毒、抗炎、抗细胞因子和抗纤维化作用，使它们可用于对抗SARS-CoV-2。可以通过直接靶向病毒并使用激酶抑制剂减少临床症状来预防感染。激酶抑制剂还可用于提高其他抗病毒药物的疗效，或针对 SARS-CoV-2 的定制治疗。许多激酶抑制剂现在正在临床研究中进行测试，以查看它们是否可以作为一种可行的治疗方法。

激酶抑制剂也可以应用于联合疗法用于 COVID-19 治疗方案。组合策略可能包括激酶抑制剂，它们可以特异性靶向蛋白质，例如与病毒相关的蛋白质和与肺部健康相关的蛋白质，或者使用抗病毒药物和激酶抑制剂的组合（例如利托那韦ritonavir-洛匹那韦lopinavir,、瑞德西韦remdesivir、舒尼替尼sunitinib、索拉非尼sorafenib、伊马替尼imatinib、吉尔特替尼gilteritinib、奥希替尼osimertinib等）。^[12]

总之，广泛使用 FDA 批准的激酶抑制剂对于破译宿主激酶在病毒感染中的作用非常有用。虽然科学界仍然需要深入了解激酶抑制剂在抗病毒领域的具体作用机制，但从实践的角度来看，人们需要专注于优化具有抗病毒特性的激酶抑制剂，以实现激酶抑制剂在抗病毒领域的有效应用。

2013 年，Cohen 和 Alessi 概述了激酶抑制剂药物发现中仍然存在的一些最重要的挑战，这些挑战限制了激酶作为肿瘤学及其他药物靶点的全部潜力。该列表包括验证新的激酶靶点、在非肿瘤治疗领域使用激酶抑制剂、克服耐药性、获得靶标选择性以减少脱靶介导的毒性以及开发有效的化合物筛选和分析技术。在过去 5 年的过程中，朝着这些目标取得了巨大进展，激酶抑制剂的发现领域在肿瘤学中迅速扩展，并涉足不同的疾病领域，包括自身免疫性疾病和炎症性疾病以及退行性疾病。

参考文献：（上下滑动查看更多）

[1] Manning, G. et al. The protein kinase complement of the human genome. Science. 2002, 298, 1912–1934.

[2] Cohen, P. The regulation of protein function by multisite phosphorylation — a 25 year update. Trends Biochem. Sci. 2000, 25, 596–601.

[3] Manning, G., et al. The protein kinase complement of the human genome. Science. 2002, 298, 1912–1934.

[4] Muller, S. et al. The ins and outs of selective kinase inhibitor development. Nat. Chem. Biol. 2015, 11, 818–821.

[5] Roskoski, R. Properties of FDA-approved small molecule protein kinase inhibitors: A 2020 update. Pharmacol Res. 2020, 152, 104609.

[6] Green, K. N. et al. To Kill a Microglia: A Case for CSF1R Inhibitors. Trends in Immunology. 2020, 41, 771–784.

[7] Imatinib Mesylate. The American Society of Health-System Pharmacists.

[8] Wu, P. et al. FDA-approved small-molecule kinase inhibitors. Trends Pharmacol Sci. 2015, 36, 422-439.

[9] Keating, J. A. et al. Phosphorylation events during viral infections provide potential therapeutic targets. Rev. Med. Virol. 2012, 22, 166–181.

[10] García-Cárceles, J. et al. Kinase Inhibitors as Underexplored Antiviral Agents. J Med Chem. 2022, 65, 935–954.

[11] Blake, S. et al. The Src/ABL kinase inhibitor dasatinib (BMS-354825) inhibits function of normal human T-lymphocytes in vitro. Clin. Immunol. 2008, 127, 330–339.

[12] Naik, R. R. et al. Kinase Inhibitors as Potential Therapeutic Agents in the Treatment of COVID-19. Front. Pharmacol. 2022, 13, 806568.

激酶抑制剂及其抗病毒潜力

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