基因泰克和药明康德科学家揭示代谢性合成致死癌症疗法开发新方向

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基因泰克和药明康德科学家揭示代谢性合成致死癌症疗法开发新方向

      编者按:近日,生物化学领域的权威杂志《Nature Chemical Biology》刊发了一篇由基因泰克与药明康德科学家共同署名的学术论文,描述了一种新发现的乳酸脱氢酶小分子抑制剂,以及其应用于合成致死癌症疗法的潜质。药明康德的科学家陈忠国博士、李颖洁博士和赖光华博士参与了这一研究,提供了大量的小分子化合物的设计、合成和蛋白质结构分析支持。我们祝贺科学家们取得的这一成绩,也祝愿这项发现能够为新药研发带来新的思路,让更多好药新药能够顺利问世。

      在糖代谢方面,癌细胞有着一个不同于正常细胞的“嗜好”,那就是大多主要依靠糖酵解合成ATP,而不是氧化磷酸化。其中,乳酸脱氢酶A(LDHA)发挥着关键作用,它可将丙酮酸转化为乳酸,使其不能参与三羧酸循环以及氧化磷酸化过程。与此相符的是,LDHA在多种肿瘤中表达量偏高,而且经常是肿瘤中LDHA表达量越高,患者的存活率越低。此外,在多种小鼠肿瘤模型中,LDHA基因的敲除可显著抑制肿瘤生长。因此,开发靶向LDHA的药物成为了一种具有潜力的研发方向。然而,人们至今尚未开发出可在体内有效抑制LDHA活性的药物。

      最近,基因泰克和药明康德的研究人员发现了一种在体外和体内条件下均可有效抑制LDHA活性的小分子GNE-140,且后者还能与氧化磷酸化抑制剂苯乙双胍(phenformin)等药物对癌细胞产生合成致死效应。不仅如此,他们还发现了能有力应对癌细胞对GNE-140产生抗性的方法。这一成果发表于近期的Nature子刊《Nature Chemical Biology》上。

基因泰克和药明康德科学家揭示代谢性合成致死癌症疗法开发新方向

▲GNE-140分子

(图片来源:《Nature Chemical Biology》)

      研究人员从含有近200万种小分子的库中进行了LDHA抑制剂的高通量筛选,并对初步筛出的先导化合物进行改造,得到了具有更高LDHA活性抑制能力的GNE-140。结构分析显示,GNE-140可结合到LDHA上的活性位点。

▲GNE-140分子结合在LDHA的活性位点

(图片来源:《Nature Chemical Biology》)

      在对MIA PaCa-2胰腺癌细胞系进行的试验中,GNE-140可显著抑制癌细胞的增殖和乳酸生成,而较长时间的处理则可导致癌细胞死亡。进一步的分析显示,GNE-140使得癌细胞中丙酮酸及其上游的糖酵解代谢通路组分的水平升高,而这些组分则更多地进入了除三羧酸循环之外的其他代谢途径,转化为其他物质,包括甘油-3-磷酸、丙氨酸等。

▲GNE-140对癌细胞糖代谢的影响

(图片来源:《Nature Chemical Biology》)

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      为评估细胞毒性,研究人员对30种不同胰腺细胞系进行了试验,发现其中4种对GNE-140敏感。原来,不同细胞对于糖代谢途径的选择有着不同的倾向,那些更加偏好糖酵解的细胞更容易被GNE-140抑制,而其他相对较多依赖于氧化磷酸化的细胞则对GNE-140具有一定抗性。所以,依赖糖酵解的胰腺癌细胞会被GNE-140抑制,而正常细胞对它并不敏感。

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▲GNE-140对敏感性和抗性癌细胞的影响

(图片来源:《Nature Chemical Biology》)

      另一方面,如果长时间暴露于GNE-140,许多上述胰腺癌细胞中的AMPK信号通路会被激活,并通过该通路下游组分S6K激酶,使得细胞逐渐转向氧化磷酸化途径,减少对糖酵解的依赖,从而产生对GNE-140的抗性,尽管LDHA本身并未发生突变。有趣的是,即便随后将GNE-140移除,癌细胞产生出的这种抗性似乎可以长期保持。这时,如果在GNE-140的基础上,再加入苯乙双胍或者S6K抑制剂(PF 4708671),上述药物的杀伤效果则会相互叠加,达到对癌细胞合成致死的效果。

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▲苯乙双胍(左)和PF 4708671(右)结构

(图片来源:selleckchem)

      然而,GNE-140在体内的抑癌效果却受到了其稳定性的限制。在将GNE-140施用于被植入MIA PaCa-2胰腺癌细胞的免疫缺陷小鼠后(剂量100-400mg/kg),其体内的癌细胞只会短暂地受到影响(施用后一小时内),表现出乳酸生成的减少和丙酮酸水平的升高等。随着时间的推移,GNE-140会在体内被很快的降解,因此不再能发挥作用,即便此时同时使用苯乙双胍。不过,如果采用shRNA干扰的手段抑制LDHA,并再与苯乙双胍联用,则会起到良好的抑癌效果。

      该研究揭示了一种新型的LDHA抑制剂GNE-140,并说明,若想让LDHA抑制剂药物在体内成功发挥作用,就必需保证其具有足够的体内稳定性。同时,LDHA抑制剂还可与靶向AMPK–S6K信号通路或氧化磷酸化过程的药物联用,达到对癌细胞合成致死的效果,这为LDHA抑制剂抗癌药物的开发和应用提供了一条新的方向。

参考资料:

[1] Metabolic plasticity underpins innate and acquired resistance to LDHA inhibition

[2] LDHA - Wikipedia

来源:药明康德

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