张海丽,杨静,邓大伟

(中国药科大学 工学院,江苏 南京 210000)

1 肿瘤低氧微环境

肿瘤微环境的代表因素是缺氧条件、活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平升高和pH值低[1-2]。氧气在大部分实体瘤的生长过程中发挥非常重要的作用,它是线粒体呼吸产生能量的过程的最终受体。1953年,Gray等人发现,氧合良好的肿瘤细胞对放疗的反应比缺氧细胞好[3]。肿瘤缺氧于1955年由Thomlinson等人在肺癌患者的肿瘤组织中首次提出,科学家们通过60多年的临床和实验证实,缺氧状态是多种实体瘤中普遍存在的特点。因此,缺氧被认为是癌症的标志之一[4]。多数肿瘤长至1～2 mm大小后,后续由于增殖需要建立自己的血管进行氧气和养分供给,所以在快速生长的实体瘤中出现了紊乱有缺陷的脉管系统,并且成为绝大部分肿瘤低氧的主要原因,从而导致氧气和营养供应的减弱。由于氧气和营养的供应缺失,促进HIFs因子促进快速生长的实体瘤形成新的血管[5]。由于血管的改变和血液流动的混乱,肿瘤组织中心区域变成了低氧并逐渐形成一个氧分压的渐变区域,在低氧条件下,肿瘤细胞可以通过基因突变使自己在恶劣的条件下能够生存乃至进行生长[6]。而在肿瘤的低氧区域的细胞高表达各种生物还原酶,可以将氧化性的物质还原,以提高缺氧区域含氧量[7]。

缺氧微环境还是癌症复发的关键因素,因为它具有调节细胞周期、防止细胞凋亡、干细胞维持和静止以及选择耐药性非循环癌细胞等活性[8]。肿瘤缺氧会导致细胞去分化或者细胞周期停滞甚至静止[9]。同时缺氧还可能刺激髓源性抑制细胞发育从而抑制T细胞,使肿瘤产生免疫抵抗[10]。癌症转移是患者癌症复发和死亡的主要原因。原发性、继发性肿瘤或转移的形成受到多方面肿瘤-基质相互作用的极大影响,其中肿瘤微环境的基质成分可以影响癌细胞的行为。

2 低氧激活前药

靶向癌症治疗的理想目标是以最小的副作用实现高肿瘤特异性,目前FDA批准了多个临床化疗药物,包括多柔比星(DOX)、喜树碱(CPT、CPT-11及其活性代谢物SN-38),吉西他滨、5-氟脱氧尿苷(FDU)、帕唑帕尼、帕诺比司他、顺铂、卡铂和奥沙利铂等[11-13]。传统的药物都通过比如抑制DNA复制,干扰RNA转录,阻断细胞分裂和抑制拓扑异构酶,从而阻止细胞分裂和肿瘤生长。但是都无法区分正常地快速生长的细胞和异常的不可控制地增殖的肿瘤细胞。因此使药物在肿瘤部位再发挥药效成为了抗肿瘤药物研发的一大热点[14]。

前药,也称为前体药物,是Adrien Albert 1958年在英国自然杂志上发表文章提出的概念[15]。前药一般是无活性物质,被体内的酶或者其他活性物代谢转化为活性物质从而发挥作用[16]。基于多数肿瘤的低氧微环境,低氧激活前药为肿瘤特异性治疗提供了可能性[17-18]。近几十年有不计其数的人们都在研究低氧激活前药,从刚开始发现了替拉帕明的缺氧细胞毒性开始,又陆续开发了不少低氧激活前药,有一部分已经进入临床验证实验。

目前前药的激活主要有两种方式,单电子和双电子氧化还原酶都可以催化前药的还原,选择性取决于氧逆转活化过程和/或氧化还原酶在肿瘤组织中的过表达的能力。最常见的方法是在还原代谢过程的早期产生前药自由基(通常是单电子产物),该中间体能够通过细胞中存在的分子氧反氧化为母体前药和ROS[19]。在低氧环境下,母体前药进一步还原/歧化或者断裂,从而产生具有细胞毒性的物质[20]。第二种是某些情况下,前药可能直接与代谢酶活性部位的分子氧竞争,这种情况下的前药的激活是对氧气不敏感的,选择性很大程度上取决于肿瘤组织中酶水平[16]。目前将低氧激活前药的活化限制在低氧细胞区域是通过两种前药激活方式之一实现的。

低氧激活前药(Hypoxia-activated prodrugs,HAPs)设计主要包括三部分结构,分别是:(1)触发基团;(2)连接子;(3)效应物[21]。触发基团是决定前药活化和缺氧选择性的关键基团,这些触发基团必须经过酶促还原(主要通过氧化还原酶)才能释放或激活效应物。目前主要有五种不同的化学基团(硝基、醌、芳香族和脂肪族N-氧化物以及过渡金属)(如图1所示)被证明能在缺氧条件下酶促还原,是HAPs设计的关键[22]。效应物是指能够在缺氧微环境中杀死细胞的毒性成分,这些通常是有效的DNA相互作用剂。连接子的主用是将效应物与触发基团有效连接[21]。

3 硝基(杂)环化合物

硝基芳烃很容易被肿瘤低氧微环境高表达的硝基还原酶还原成相应的胺,随后在NADH作用下,发生分子内重排和去除,释放原药[23]。长崎等提出了两个新的HAP,他们将2-硝基咪唑通过酰胺键连接到阿霉素和 5-氟脱氧尿苷(化合物1和2),旨在防止在达到缺氧区域之前释放药物[24]。与母体药物相比,这些HAP在缺氧区域的渗透率显著提高。体外研究表明,这两种前药在MIA PaCa-2细胞系中都具有高度细胞毒性,特别是在缺氧条件下。对26只结肠荷瘤小鼠体内抗肿瘤活性的研究表明,相对于单独使用阿霉素,荷瘤小鼠存活率有明显提高。

4 醌

醌是在许多天然和合成化合物中发现的常见亚基,包括抗癌药物、抗菌剂、染料、维生素 K 和辅助因子(托帕醌、吡咯醌)等[25-26]。醌可以经历由各种还原酶介导的单电子还原,例如细胞色素还原酶(P-450R,CPR),NADH-细胞色素b5还原酶(CB5R)和NADPH:泛醌氧化还原酶(复合物I),从而形成半醌自由基。这些自由基阴离子可以与分子氧反应,从而产生ROS进而增加氧化应激。通常,常氧环境中会抑制半醌自由基阴离子的形成[27-29]。在缺氧环境中,半醌自由基可以进一步还原为对苯二酚,进而促进内部电子重排,导致共价键裂解和药物释放,发挥药效。吲哚醌酮类化合物已被广泛报道应用于低氧激活前药的释放,其中EO9(化合物3)已经进入三期临床试验[30]。

5 芳香族N-氧化物

N-氧化物替拉帕胺(TPZ;SR4233,化合物4)于1986年首次报道,在缺氧条件下对细胞的毒性比体外有氧条件高300倍[31]。TPZ首先经历单电子还原以产生TPZ自由基;在没有氧气的情况下,TPZ自由基经历自发转化产生苯并三嗪基自由基,导致DNA断裂和其他复杂病变[32-33]。当存在氧气时,TPZ经历徒劳的循环回到母体化合物,同时形成超氧化物。除了TPZ的单电子还原外,也报道了NQO1等酶的双电子还原[34]。TPZ的双电子还原对细胞具有生物保护作用,因为它绕过TPZ自由基的形成,产生了单N-氧化物,这是一种相对无毒的代谢物。TPZ在1990年代初进入临床试验,却止步于三期临床试验。SN30000(化合物5)是TPZ的类似物,在TPZ的基础上优化了在肿瘤部位的扩散和代谢特性[34]。能够以更高的浓度到达肿瘤缺氧部位,目前计划进入I期临床试验。

6 脂肪族N-氧化物

AQ4N(化合物6)是脂肪族N-氧化物类药物中研究最广泛的化合物,AQ4N能在还原环境中被还原产生具有双胺结构的AQ4,这种双胺是一种强拓扑异构酶II抑制剂,具有类似于米托蒽醌的DNA嵌入剂特性,AQ4对低氧细胞的细胞毒性是AQ4N的100倍。并且在Ⅰ期临床研究中,在用作单一药物或与放疗/化疗联合使用时表现出非常明显的抗肿瘤作用。虽然AQ4N的临床研究终止在Ⅱ期临床试验,但还是有大批科学家对AQ4N进行结构改造,例如9-氨基吖啶,萘酰胺,蒽吡唑,氮杂蒽吡唑,和米托蒽醌等AQ4N结构类似物都已经被确定为有效的低氧激活前药[35-37]。

7 过渡金属络合物

铂(Ⅱ)金属配合物是癌症化疗的重要药物,其中顺铂和卡铂是临床上最重要的两种抗肿瘤药物,临床上大约一半的接受化疗的患者需要单独或与其他药物联合使用其中一种复合物[38]。目前公认的作用机制是Pt(Ⅱ)复合物通过被细胞摄取后能够与DNA结合来靶向快速增殖的细胞[39-41]。但它们存在多种局限性:(1)缺乏肿瘤选择性;(2)高全身毒性;(3)多种耐药机制(先天性和获得性)和(4)活性谱狭窄[42]。顺铂的成功和局限性促使人们不断寻找新型过渡金属络合物。与有机药物相比,基于金属的药物具有鲜明的优势,例如能够调整其各自的几何形状,改变其配位数以及经历氧化还原状态的变化。并且可以使用过渡金属的前药来靶向低氧肿瘤。例如,一种Pt(Ⅳ)类似物沙特拉铂[反式,顺式,顺式,顺式双(乙酸)胺环己胺二氯铂(Ⅳ)](化合物7),被开发为口服给药的抗癌铂剂[43]。它能够在血液中进行生物还原,产生六种不同的Pt(Ⅱ)[44]。在临床研究中,沙特拉铂比顺铂在几种卵巢癌细胞系中显示出更好的毒性。它还对顺铂耐药癌细胞系41McisR和HX/155cisK表现出良好的药物活性[45]。并且在ADJ/PC6荷瘤小鼠的体内实验中,沙特拉铂比顺铂和卡铂的抗肿瘤性能有所提高。其他的金属配位络合物比如钴、钌等过渡金属的配合物也在陆续开发中[46-48]。

8 总结与展望

在过去的几十年间,将肿瘤缺氧作为治疗靶点已经是普遍手段。利用肿瘤缺氧来靶向肿瘤和选择性释放活性药物,不仅是新的药物研发策略,而且可以适当对癌症治疗方案进行改进。由于低氧激活前药的激活途径是低氧依赖性的,并且与氧浓度呈负相关,所以正常细胞在很大程度上可以免于药物的杀伤。癌症医学的一个新兴范例是使用定义的生物标志物进行个性化治疗,识别和验证低氧激活前药将很好地服务于肿瘤的个性化治疗,满足临床需要。