MTH1有望成为新一代有效抗癌分子靶点

【新闻背景】来自瑞典、奥地利和德国的三个不同联合研究小组最近分别在《自然》和《应用化学》杂志上发表论文，证明细胞内负责清理氧化性损伤碱基的一种酶—MTH1（又称NUDT1）可能是一个新一代有效抗癌分子靶点。MTH1通常被认为起着“消毒剂”的作用，能有效地阻止受氧化损伤的脱氧核糖核酸苷掺入到DNA。这三个研究组各自独立地通过不同研究手段，比如采用shRNA或小分子抑制剂下调这种酶的活性，发现抑制MTH1能导致癌细胞发生致死性的DNA双链断裂和细胞凋亡，而且这个现象被多个动物实验所证实，指出MTH1有望成为新一代的有效抗癌分子靶点。



【药源解析】众所周知，新药研发的过程复杂而漫长，不仅耗资数十亿美元且涉及很多学科以及学术以外的因素。本站多次阐述，如果剥离所有技术细节，靶点的发现和确证是现代新药研发的瓶颈和核心。也就是说，一旦知道哪个靶点确实有效，目前的药物化学、药理、毒理、临床开发技术水平可以快速地发现，开发针对这个分子靶点的新药。在抗肿瘤研究领域，近几十年来通过靶向肿瘤的特异特征，尤其是靶向癌细胞中的特异遗传缺陷，发现了以BCR-ABL、ALK为代表的一系列优质分子靶点，开发了伊马替尼、克里唑替尼等靶向抗癌药物。但是更多的分子靶点后来未能在临床上被证实，一些上市的抗癌药还出现耐药性，在使用一段时间以后不再显示疗效。



如上图所示，细胞代谢会产生活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS），活性氧能快速地氧化脱氧核苷三磷酸（dNTP），其反应速率比对双螺旋DNA中的碱基要高出数千倍。如果氧化的dNTP掺入到DNA中，不仅会造成基因组不稳定，产生突变，更会发生致死性的DNA双链断裂与细胞凋亡。生物机体相应地进化，产生了针对这一问题的解决办法——MTH1酶。因为癌细胞的增殖远远快于正常细胞，产生更多的活性氧并需要大量的脱氧核苷单体。MTH1通过水解dNTP的氧化形式，比如8-oxo-dGTP 和2-OH-dATP，将它们转化成不能用于DNA合成的磷酸产物，也就是说MTH1酶能通过选择性清除NTP池中的氧化核苷酸，充当损伤碱基的“消毒剂”，阻止了DNA构件的氧化形式掺入到DNA中，确保了癌细胞的复制过程，使得它们能够进行持续分裂和大量增殖。



以Karolinska学院Thomas Helleday为首的，包括瑞典5所大学的联合研究团队在《自然》发表文章指出，所有测试的癌细胞都因ROS水平过高而依赖MTH1酶来维持生存。而正常细胞不同，无需MTH1酶的存在。尤其有意思的是，MTH1酶的活性和特定癌症中的遗传变异没有相关性。这样，MTH1在癌细胞中扮演了关键的氧化还原适应作用，而MTH1抑制剂能靶向这个癌细胞特异的氧化还原适应机制，为癌症治疗提出一种新策略。更可贵的是该氧化还原适应机制独立于癌细胞的遗传变异，从而不会导致因治疗产生的耐药性。Helleday课题组还制作了一个动画，阐述了MTH1抑制剂通过下调MTH1酶的活性，促使受损核苷酸掺入DNA的合成，由此造成DNA损伤并杀死癌细胞的过程。而正常细胞不需要MTH1，可以通过调控新陈代谢来阻止核苷酸构件的损害。这样发现了癌细胞和正常细胞在氧化还原适应机制中的区别，为治疗癌症开辟了一条全新的途径。



如上图所示，Helleday课题组通过晶体结构分析、高通量筛选和构效关系研究，不仅找到了MTH1蛋白的两个结合位点，还发现了包括TH287、TH588在内的MTH1抑制剂。其中后者还展现较好的药物动力学特征。体外实验说明，这些MTH1抑制剂对多种癌细胞能导致和剂量/活性相关的dNTP氧化、DNA损伤以及细胞毒性，但在正常细胞中却没有反应。小鼠接种实验（xenograft）证明，TH588不仅对结肠癌（SW480）和乳腺癌（MCF7），而且对多种药物耐药的皮肤癌显示疗效。奥地利科学院分子医学研究中心的Giulio Superti-Furga研究小组则另辟蹊径，发现2011年批准的一类肺癌药物crizotinib（克里唑替尼）的手性对映体（S-crizotinib）也抑制MTH1酶的活性，并在动物实验中显示疗效。MTH1酶作为一个潜在抗癌靶点在抗癌战争中的作用还被德国Marberg大学的Margherita Bignami研究团队通过合成包括Marberg-4化合物在内的一组金属MTH1抑制剂证实。



毫无疑问，MTH1作为一个有效抗癌靶点还要做大量的工作，甚至按照大型制药企业的标准距离临床上认证也还差很远。《美中药源》之前曾详细讨论过，靶点认证的“假阳性”或“假阴性”经常误导新药开发，很多人认为至少有一半以上发表的生物学研究结果不能按照工业界的标准被重复，比如斯坦福大学的Loannidis教授在2005年曾报道，在45个被高度频繁引用的临床研究中只有20个能被重复，有14个结论后来证明是是错的或夸大的，11个无后续研究验证起真实性。但是，来自瑞典、奥地利和德国三个不同课题组，各自独立地证明MTH1抑制剂能有效地杀死癌细胞并在动物模型中显示疗效。这样，这三个研究又从不同侧面互相验证了对方的实验结果，显著降低了因为偶然因素导致实验结果的“假阳性”，说明如果动物实验能转化到人体，MTH1应该是一个有效靶点。



当然在临床开发之前，这些MTH1抑制剂还要进一步被结构优化，改良它们的药效、毒理以及成药特征。根据报道的构效关系，比如在TH287、TH588、TH650等化合物中随着氨基上烷基体积的增加，MTH1的抑制活性明显降低，克里唑替尼（crizotinib）和其S-对映体相比抑制MTH1酶的活性要低20倍以上，暗示这些抑制剂不仅对MTH1显示明显的构效关系，也极具被优化成理想抗癌候选药的潜力。但是笔者也认为，癌细胞增殖对氧化还原适应机制是否完全依赖还有待进一步验证，在很大程度上MTH1可能更是其它靶向药物的增敏剂，且在以上独立的动物实验中都未能清除肿瘤也略见一斑，联合用药或许是开发MTH1抑制剂更大的机会。