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Science背靠背:这两个小分子,能否“激动”肿瘤免疫疗法?

肿瘤是人类健康的重大威胁,目前的一线治疗方案,比如外科手术、放疗、化疗,对于中晚期恶性肿瘤效果都有限。免疫疗法作为一种新出现的治疗方案,在多种癌症中都取得了很好的效果。其中特别受关注的是免疫检查点抑制剂(比如抗PD-1抗体,anti-PD-1),通过重新激活被肿瘤诱导抑制的T细胞,基于人体自身的免疫系统来打击肿瘤细胞。但是,有证据表明当患者缺乏自发性T细胞应答时,免疫检查点抑制剂的疗效就比较差。打个不太恰当的比喻,场外的啦啦队喊的再有激情,场上踢球的却没精打彩,这球赛就还是要输。


近年来发现的干扰素基因刺激蛋白(Stimulator of interferon genes,STING),是一种能够调节固有免疫功能的重要靶标分子。环鸟苷酸-腺苷酸(cGAMP)合成酶(cGAS)可识别外源性DNA,涉及二者的cGAS-cGAMP-STING信号通路在I型干扰素和炎性细胞因子产生及抗原提呈细胞激活的过程中发挥重要作用,进而促进肿瘤特异性CD8+ T细胞的启动和募集,从而进攻肿瘤细胞。这样看来,STING激动剂很有希望成为一类新的免疫疗法,或者与免疫检查点抑制剂一起对肿瘤打出“组合拳”。

cGAS-cGAMP-STING信号通路。图片来源于网络


为了模拟天然配体,第一代STING激动剂是cGAMP的环二核苷酸(cyclic dinucleotide, CDN)类似物,稳定性非常差,都是通过直接瘤内注射的方式给药,这就将它们的应用范围限制在少数几种肿瘤。另外,在进行药物筛选时,由于种属差异,人hSTING和鼠mSTING存在较大的差别,因此小鼠上有明显药效的mSTING激动剂,并不一定会在人体上得到验证。经典的例子就是血管生成抑制剂DMXAA,在动物模型上抗肿瘤活性极好,但临床试验失败。后来发现DMXAA作用于小鼠的mSTING通路,增加免疫攻击,而对人体hSTING通路没有任何作用。所以,目前研发STING激动剂需要解决两方面问题:可系统给药(最好口服)提高依从性;以及不存在显著的种属差异,提高筛选的可靠性。


近日,美国斯克里普斯研究所Luke L. Lairson、John R. Teijaro加州生物医学研究所H. Michael Petrassi等人使用基于细胞的cGAS-STING信号通路靶向表型高通量筛选,从包含~100,000个化合物商业化库中发现了可腹腔给药和口服给药的非核苷类STING激动剂SR-717和SR-301,共晶结构显示它们与STING的结合模式与天然配体cGAMP一致(稳定STING的闭合构象),在几种小鼠皮下肿瘤模型展示很好的药效,并能抑制肺转移,相关结果发表在Science [1]

SR-717的发现和体外性质。图片来源:Science [1]


首先,他们建立体外筛选流程。化合物先通过带有干扰素调节因子(IRF)和荧光酶素报告基因系统的人单核细胞ISG-THP1初步验证体外药效;然后分别通过敲除STING(ISG-THP1 STING KO)和环鸟苷酸-腺苷酸合成酶(ISG-THP1 cGAS KO)的上述细胞验证通路和靶点专一性;最后通过蛋白热稳定性实验(TSA)考察化合物是否能直接结合靶点(hSTING、mSTING)、种属差距和人等位基因专属性。经过上述实验,研究人员发现了一类哒嗪化合物SR-001能显著诱导ISG-THP1和ISG-THP1 cGAS KO细胞的报告基因信号,而对ISG-THP1 STING KO细胞不起作用,表明该化合物可能是直接作用于STING上的。但奇怪的是,重合成的SR-001却在TSA实验中没有活性。后来研究人员分析,商业库中SR-001其实含有少量的降解产物SR-012,而细胞实验中实际上发挥作用的也是SR-012,在这里SR-001只是一种前药。进一步的优化让研究人员发现了SR-717,TSA显示其能稳定的结合在mSTING和hSTING上,不存在种属差异。SR-717的小鼠PK也支持系统给药,5 μM下对468种激酶也没明显抑制(除了PIM3),对IFNB1和CXCL10的刺激也比较明显,对STING下游的TBK1、IRF3、p65和IFN-β下游的STAT1及IL-6下游的STAT3的磷酸化也很显著。


众所周知,STING需要形成二聚体才能发挥相应的生理作用。比较有意思的是,SR-717与mSTING或hSTING的结合模式同天然配体cGAMP非常接近(下图B),使得hSTING二聚体采用相对闭合的构象(closed conformation),而无配体(APO)或双核苷化合物di-GMP则采用开放构象(open conformation)。共晶显示,两分子的SR-717相互靠近将STING二聚体锁定在闭合构象上。

SR-717与hSTING的晶体结构。图片来源:Science [1]


在B16.F10小鼠黑色素瘤模型中(一种免疫响应极差的模型,anti-PD-1效果不佳),腹腔注射SR-717不仅能显著抑制荷瘤小鼠的肿瘤生长,还能延长生存期及降低肺转移率。

SR-717的药效试验。图片来源:Science [1]


在此基础上,研究人员又优化得到了具有较好口服生物利用度的化合物SR-301,15 mg/kg/day给药时,B16.F10荷瘤小鼠的肿瘤可以得到较好的控制。

SR-301的药效试验。图片来源:Science [1]


无独有偶,美国默克(Merck & Co., Inc.)的科学家也在同期Science 上发表了他们发现的小分子STING激动剂MSA-2[2] 在晚期MC38肿瘤模型上,给予MSA-2后,小鼠的肿瘤得到控制,生存期显著延长。作者还研究了这种小分子STING激动剂与免疫检查点抑制剂anti-PD-1联用的效果,发现二者有协同作用,药效比二者单独使用时有显著提高。有意思的是,MSA-2这个小分子一样可以口服;更巧的是,共晶结构显示两分子的MSA-2也是将STING二聚体锁定在“闭合构象”,这与前文Scripps研究团队的结果一致。


小分子STING激动剂MSA-2。图片来源:Science [2]


小结


21世纪,我们已经见证了药物研发一系列革命性的变化——2001年上市的格列卫(Gleevec,imatinib)将人类带入小分子靶向治疗的时代;2011年获批的CTLA-4单克隆抗体伊匹单抗(Yervoy)将人类带入肿瘤免疫治疗的时代。随即基于免疫检查点PD-1/PD-L1的抗肿瘤产品层出不穷,大有一个药物横扫数十种适应症的气势。相比适应性免疫,固有免疫(如TLRs、STING)近几年才获得制药业界的青睐,但是我们有理由相信,在知识爆炸的时代,不远的将来一定有口服的、细胞因子风暴可控的STING激动剂供患者使用。

两种小分子STING激动剂。图片来源:Science, 2020, 369, 921-922


1. 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Antitumor activity of a systemic STING-activating non-nucleotide cGAMP mimetic

Emily N. Chin, Chenguang Yu, Vincent F. Vartabedian, Ying Jia, Manoj Kumar, Ana M. Gamo, William Vernier, Sabrina H. Ali, Mildred Kissai, Daniel C. Lazar, Nhan Nguyen, Laura E. Pereira, Brent Benish, Ashley K. Woods, Sean B. Joseph, Alan Chu, Kristen A. Johnson, Philipp N. Sander, Francisco Martínez-Peña, Eric N. Hampton, Travis S. Young, Dennis W. Wolan, Arnab K. Chatterjee, Peter G. Schultz, H. Michael Petrassi, John R. Teijaro, Luke L. Lairson

Science, 2020, 369, 993-999, DOI: 10.1126/science.abb4255


2. 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

An orally available non-nucleotide STING agonist with antitumor activity

Bo-Sheng Pan, Samanthi A. Perera, Jennifer A. Piesvaux, Jeremy P. Presland, Gottfried K. Schroeder, Jared N. Cumming, B. Wesley Trotter, Michael D. Altman, Alexei V. Buevich, Brandon Cash, Saso Cemerski, Wonsuk Chang, Yiping Chen, Peter J. Dandliker, Guo Feng, Andrew Haidle, Timothy Henderson, James Jewell, Ilona Kariv, Ian Knemeyer, Johnny Kopinja, Brian M. Lacey, Jason Laskey, Charles A. Lesburg, Rui Liang, Brian J. Long, Min Lu, Yanhong Ma, Ellen C. Minnihan, Greg O’Donnell, Ryan Otte, Laura Price, Larissa Rakhilina, Berengere Sauvagnat, Sharad Sharma, Sriram Tyagarajan, Hyun Woo, Daniel F. Wyss, Serena Xu, David Jonathan Bennett, George H. Addona

Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aba6098


(本文由桃夭供稿)


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