从二甲基亚砜到伏立诺他:首个HDAC抑制剂的研发之路从1971年说起

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伏立诺他,英文名为Vorinostat,商品名为Zolinza®,化学名为Suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA),于 2006年10月26日美国FDA批准上市。用于治疗加重、持续和复发或用两种全身性药物治疗后无效的T细胞淋巴瘤(CTCL, 一种非霍奇金淋巴瘤)。伏立诺他特异性地结合并阻断组蛋白去乙酰化(Histonedeacetylases HDAC)过程,进而阻止肿瘤细胞的基因表达,诱导肿瘤细胞凋亡。伏立诺他是首个HDAC抑制剂,了解它的研发历程,对于其他HDAC抑制剂的新药开发有重要意义。


从二甲基亚砜到伏立诺他:首个HDAC抑制剂的研发之路从1971年说起


Vorinostat的化学结构式


黎明前的黑暗


早在1971年,就有人发现含二甲基亚砜(DMSO)溶液具有将鼠类红白血病细胞转化为红细胞的能力;到1975年,有人发现,某些含氮化合物有着比DMSO更强的活性,测定这些化合物的偶极矩,发现它们有着共同的特点:偶极矩越大,极性越大,它们的活性就越强。有了这个发现,研究人员在1976年合成出了六亚甲基二乙酰胺(HMBA)这个化合物,当时证明该化合物比之前所有化合物都有更优的抗肿瘤活性,并且该化合物的活性与中间亚甲基的个数有关,含6个亚甲基的化合物的活性最高。


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HMBA的化学结构式


之后,对该化合物做了临床实验,但在Ⅱ期临床试验中发现,它只能缓解骨髓增生异常综合征和急性骨髓性白血病的症状,并且患者对该药耐受性较低,药物在体内代谢的半衰期只有1.5 h,很难说明该化合物对疾病有效,所以,很遗憾,HMBA的临床试验失败了。


成功的曙光


失败的意义在于为成功积累经验,HMBA虽然没有成为新药,但它为活性更高的化合物提供了结构与活性之间的关系。HMBA的靶点尚不明确,盲目地合成新化合物可能会南辕北辙。研究人员仔细回想之前的研究,为什么是DMSO与那些极性较大的化合物的活性较好呢?所以他们猜想,这些化合物可能与某些金属结合或者与受体形成较为牢固的氢键。这个猜想很是关键,为以后的药物设计的成功奠定了基础。研究人员继续寻找极性更大的基团,在异羟肟酸基这里找到突破口。异羟肟酸基既可以与Zn2+等离子发生络合作用,也极易形成氢键。研究人员合成了许多双异羟肟酸基化合物,其中双异羟肟辛二酸(SBHA)的活性令人满意。双异羟肟酸基团比双酰胺基团的活性强很多。


值得注意的是,SAHA与HMBA的分子式中都含有6个亚甲基,说明这6个亚甲基在该类化合物中是不可或缺的。之后,研究人员又合成了比SBHA活性还要高6倍的化合物HASA。在考察完活性、稳定性等性质之后,HASA各项指标均胜出,成为有前途的先导化合物。


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SBHA的化学结构式


探究药物与靶点的关系


有人发现天蓝色链霉菌中的曲古抑菌素A (Trichostatin A,TSA)具有抑制组蛋白去乙酰化酶的作用,由于TSA与SAHA结构相似,所以SAHA也可能具有类似的作用。经过实验的得出:HDAC是SAHA的靶点,SAHA可以选择性的调控基因表达,部分抑制HDAC 1与3,造成乙酰化的组蛋白2A,2B,3和4在细胞中大量积累,进而抑制DNA的转录,造成细胞凋亡。


从二甲基亚砜到伏立诺他:首个HDAC抑制剂的研发之路从1971年说起


TSA的化学结构式


为了验证SAHA是与HDAC的结合,研究人员通过X射线试验说明了这一点,在下图中我们可以看到,HDAC中有一个含Zn2+的狭窄的疏水性口袋,SAHA的异羟肟酸基团与该离子牢牢地结合在一起,6个亚甲基通过狭窄的口袋延伸出来,苯环则附着在疏水性HDAC同源蛋白的表面。


从二甲基亚砜到伏立诺他:首个HDAC抑制剂的研发之路从1971年说起


SAHA与HDAC的X射线衍射结果,图来源:Nature Biotechnology 25,84-90(2007)


成功的试验


体外测试结果显示,SAHA抑制HDAC的剂量为50 nM,并造成细胞生长停滞和半胱氨酸蛋白酶依赖性细胞凋亡。在动物试验中,SAHA有效抑制小鼠、大鼠肿瘤生长,可以治疗耐药性急性早幼粒细胞白血病的小鼠模型,并对肺癌小鼠有效且几乎无不良反应。


在I期临床试验中,SAHA显示广泛的抗肿瘤活性,并且作为口服用药,患者使用极为方便。SAHA对多种血液癌症(包括霍奇金病、非霍奇金淋巴瘤、T细胞淋巴瘤)和多种实体瘤(包括甲状腺瘤、肾癌、喉癌等)有效。不良反应包括:疲劳,腹泻,厌食和脱水等,一般在用药4-7天后出现。I期临床试验取得很好的效果。


在Ⅱ期临床研究中发现,SAHA对T细胞淋巴瘤有显著的治疗效果,并可以用于之前用药都失败的患者。对患者的肿瘤细胞进行体外培养,发现SAHA选择性诱导恶性T细胞凋亡和调节组蛋白乙酰化水平。经过3期临床试验,美国FDA于2006年批准SAHA用于T细胞淋巴瘤的治疗。


总结


Vorinostat虽然只有中等的抑制效果,并且其中的异羟肟酸基团也存在一定的毒性,HDAC广泛存在于染色质中,使用Vorinostat会导致机体可能出现不良反应。但它作为首个HDAC抑制剂,实现了从DMSO到药物的飞跃,为以后研发出更强安全性更高的HDAC抑制剂提供了范本。


参考资料:


1.Hemoglobin Synthesis in Murine Virus-Induced Leukemic Cells In Vitro: Stimulation of Erythroid Differentiation by Dimethyl Sulfoxide.


2.A new group of potent inducers of differentiation in murine erythroleukemia cells.


3.Potent and Specific Inhibition of Mammalian Histone Deacetylase Both in Vivo and in Vitro by Trichostatin A.


4.Dimethyl sulfoxide to vorinostat: development of this histone deacetylase inhibitor as an anticancer drug.


5.Second generation hybrid polar compounds are potent inducers of transformed cell differentiation.


文章来源: 药渡

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