靶向吲哚胺2, 3-双加氧酶(IDO)的肿瘤免疫治疗小分子抑制剂研发进展

引用本文

陈瑞, 方艳芬, 章雄文. 靶向吲哚胺2, 3-双加氧酶(IDO)的肿瘤免疫治疗小分子抑制剂研发进展[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2018, (3): 196-211. DOI: 10.3969/j.issn.1000-5641.2018.03.021. 复制到剪切板

CHEN Rui, FANG Yan-fen, ZHANG Xiong-wen. Progress in development of small molecule inhibitors targeting indoleamine 2, 3-dioxygenase[J]. Journal of East China Normal University (Natural Science), 2018, (3): 196-211. DOI: 10.3969/j.issn.1000-5641.2018.03.021. 复制到剪切板

基金项目

上海市科委项目（14431902700，16DZ2280100），国家自然科学基金青年基金资助项目（81402953），中国博士后基金（2015T80416）

第一作者

陈瑞, 男, 硕士研究生, 研究方向为分子肿瘤药理学.E-mail:rchen94@hotmail.com

通信作者

章雄文, 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为分子肿瘤药理学.E-mail:xwzhang@sat.ecnu.edu.cn

文章历史

收稿日期：2017-07-06

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靶向吲哚胺2, 3-双加氧酶(IDO)的肿瘤免疫治疗小分子抑制剂研发进展

陈瑞, 方艳芬, 章雄文

华东师范大学化学与分子工程学院, 上海分子治疗与新药创制工程技术研究中心, 上海 200062

收稿日期：2017-07-06

基金项目：上海市科委项目（14431902700，16DZ2280100），国家自然科学基金青年基金资助项目（81402953），中国博士后基金（2015T80416）

第一作者：陈瑞, 男, 硕士研究生, 研究方向为分子肿瘤药理学.E-mail:rchen94@hotmail.com

通信作者：章雄文, 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为分子肿瘤药理学.E-mail:xwzhang@sat.ecnu.edu.cn

摘要：在肿瘤的发生发展的过程中，癌细胞可以通过多种免疫逃脱机制避免机体免疫系统的清除.在正常人体内，吲哚胺2，3-双加氧酶（Indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO）是一种存在于免疫细胞内可以催化色氨酸通过犬尿氨酸通路代谢的酶，肿瘤的发生发展引发的炎症会诱导肿瘤微环境中的树突状细胞和肿瘤细胞持续高表达IDO，使肿瘤微环境中的色氨酸持续消耗，抑制对色氨酸敏感的T细胞的功能活性，进而抑制肿瘤组织局部的免疫活性，最终导致癌细胞逃脱免疫细胞的杀伤.抑制IDO的活性及其表达可以有效激活免疫系统对肿瘤的杀伤作用，因此，IDO成为了肿瘤免疫治疗的一个新靶点，目前针对IDO的抑制剂已经有Epacadostat、Indoximod、GDC-0919和BMS-986205进入临床试验阶段，并有望作为肿瘤分子免疫治疗药物上市用于癌症的治疗，同时，新型IDO抑制剂PF-06840003和RG70099等也在不断地被研发出来.现就IDO对于肿瘤免疫的调节机制以及开发IDO抑制剂成为肿瘤免疫治疗新药的研究进展进行综述.

关键词：吲哚胺2, 3-双加氧酶 IDO抑制剂免疫调节癌症治疗

Progress in development of small molecule inhibitors targeting indoleamine 2, 3-dioxygenase

CHEN Rui, FANG Yan-fen, ZHANG Xiong-wen

School of Chemistry and Molecular Engineering, East China Normal University, Shanghai, 200062, China

Abstract: In the development of cancer, cancer cells can employ a number of mechanisms to escape detection by the immune system. Indoleamine 2, 3-dioxygenase (IDO) is a type of enzyme in immune cells, which catalyzes the metabolism of tryptophan through the kynurenine pathway. Inflammation induced by cancer development can result in overexpression of IDO in protuberance cells and tumor cells in the tumor microenvironment, causing sustained consumption of tryptophan, inhibition of tryptophan-sensitive T cells functional activity, and a decrease in local immune activity in tumor tissues. Inhibition of IDO activity and its expression could effectively activate the immune system to kill tumor cells. Therefore, IDO has become a new target in cancer immunotherapy. Currently, four IDO inhibitors, namely Epacadostat, Indoximod, GDC-0919 and BMS-986205, are in the clinical research stage as potential new anti-cancer molecule immunotherapy drugs. At the same time, new IDO inhibitors such as PF-06840003 and RG70099 are also being investigated. In this article, the pogress of research on IDO and the development of IDO inhibitors as a new anti-cancer drug for tumor immunotherapy is reviewed.

Key words: indoleamine 2, 3-dioxygenase IDO inhibitors immune system regulation cancer treatment

0 引言

在肿瘤发生发展的过程中, 肿瘤细胞能够在免疫系统监视的压力下逃脱或颠覆免疫应答^[1-2], 肿瘤组织可以通过改变肿瘤微环境中葡萄糖、氨基酸等营养物质的代谢对局部免疫活性进行调节^[3], 吲哚胺2, 3-双加氧酶(Indoleamine 2, 3-dioxygenase, IDO)组织中被干扰素(INF-$\gamma )$激活表达, 并且由于抑癌基因$Bin\mathit{1}$在肿瘤细胞中的突变失活, 导致IDO在肿瘤细胞中能够不受抑制地持续激活, 从而实现对肿瘤微环境中的色氨酸(L-Tryptophan, L-Trp)的持续消耗, 并将其转化为犬尿氨酸(Kynurenine), 这种代谢调节能够抑制对色氨酸敏感的T细胞的功能活性, 进而抑制肿瘤组织局部的免疫活性, 使得肿瘤细胞能够实现免疫逃脱^[4-5].能够抑制IDO活性的小分子IDO抑制剂, 通过阻碍色氨酸代谢, 逆转由于IDO表达失控造成的肿瘤免疫耐受, 恢复机体免疫系统对肿瘤细胞的识别清除功能, 达到抑制肿瘤生长的作用.针对IDO研发小分子肿瘤免疫治疗药物也是近年来肿瘤免疫治疗研究的热门方向之一.

1 家族成员及其免疫调节功能

哺乳动物体内, 色氨酸除了作为合成蛋白质的一种重要原料外, 还作为其他生理生化过程的原料用于生成具有生物活性的物质, 例如五羟色氨酸和褪黑激素等.研究表明色氨酸主要通过犬尿氨酸通路(Kynurenine pathway)完成向其他具有生化活性的物质转化, 犬尿氨酸途径的第一步酶促反应是整个通路的限速步骤, 能完成第一步催化的酶主要有IDO1、IDO2以及色氨酸2, 3-双加氧酶(Tryptophan 2, 3-dioxygenase, TDO)(见图 1)^[6].

图 1 犬尿氨酸通路示意图 Fig.1 Schematic of the kynurenine pathway

1.1 IDO1

免疫系统在机体正常活动中受到各种机制精密的调节, 免疫系统无法激活, 或者免疫系统失去控制持续激活都会对机体造成巨大的损伤.随着生物进化的过程, 大部分哺乳动物都可以通过调节营养物质如葡萄糖、氨基酸等的代谢活动来调控免疫系统的应答^[7]. IDO途径即为人体内通过对色氨酸代谢的调节来实现对机体局部免疫活动的调控的重要途径^[8]. IDO1本身作为一种可诱导表达的代谢调节酶, 可以迅速改变局部组织参与机体的免疫调节, 在正常生理条件下IDO1本身不高表达, 当人体局部组织发生炎症反应时, 炎症因子如IFN-$\gamma $会刺激发生炎症部位的免疫细胞及基质细胞内的IDO1的高表达, 参与到机体炎症部位的免疫调节, 防止免疫系统持续强力激活. IDO1调控免疫系统活性主要通过以下两种途径(见图 2).

图 2 IDO参与免疫调节示意图 Fig.2 Schematic of IDO regulating the immune system

1.1.1 局部色氨酸的消耗影响T细胞的增殖分化

IDO1在局部组织中的高活性会使得色氨酸被急剧消耗, 色氨酸的急剧消耗会造成细胞内空载tRNA的积累, 而应激反应激酶GCN2又被空载tRNA变构调节激活, 使得转录因子elF2磷酸化增加, 而磷酸化的elF2则失去其活性, 从而影响效应T细胞正常的蛋白转录翻译过程, 从而影响效应T细胞的活性^[9].另外色氨酸的缺失也会直接通过GLK1/mTOR信号通路最终引发效应T细胞的自噬, 使其失去免疫活性.

1.1.2 色氨酸代谢产物犬尿氨酸含量升高影响调节性T细胞(Treg)的分化.

犬尿氨酸作为色氨酸代谢的产物, 随着IDO1活性的提高, 大量色氨酸在IDO1的催化下被转化为犬尿氨酸, 犬尿氨酸可以结合并激活芳香烃受体Aryl hydrocarbon Receptor (AhR), 而AhR的激活会促进Treg的分化^[10-11], 而Treg的分化增加会抑制免疫系统活性.

IDO1在以上通过发挥其催化代谢功能起到抑制急性炎症反应以外, 还可以直接作为信号分子, 长期抑制免疫系统活性^[12].对IDO1晶体的研究表明, 在其远离羧基端的非催化活性域中存在基于免疫受体酪氨酸的抑制基序(Immunoreceptor Tyrosine-based Inhibitory Motif, ITIM), 研究认为IDO1的ITIM不仅控制自身的稳定性(通过由IL-6诱导的SOCS3驱动的泛素化和蛋白酶体降解), 并且在TGF-$\beta $的作用下促进与酪氨酸激酶Src具有同源区域2结构域的磷酸酶SHP-1/ SHP-2的结合形成IDO-SHP复合物, 该复合物可以激活细胞中非经典的NF-$\kappa $B通路, 而NF-$\kappa $B又能激活IDO1基因的转录翻译, 因此, TGF-$\beta $-IDO-SHP通路被认为是IDO1在浆细胞样树凸状细胞(pDCs)持续表达的重要调节方式^[6].

1.2 TDO

不同于IDO1的可诱导性高表达, 多年来对TDO的研究认为, TDO的主要功能是调节肝脏中色氨酸的水平, 起到对机体整体色氨酸水平的调节作用, 同时TDO在肾脏, 脑中也有稳定表达^[13].尽管TDO与IDO1表现出极大的功能相似性, 但是编码两者的基因却不具有同源性, TDO与IDO1的主要区别也正是两者表达模式上的差异, IDO1可以在全身经由炎症反应激活高表达, TDO则受到食物中色氨酸水平以及机体内类固醇激素诱导在肝脏中诱导表达^[14].

1.3 IDO2

2007年, 一种与IDO1以及TDO具有类似功能的酶在小鼠以及人体内被发现, 编码这种酶的基因与编码IDO1的基因具有相似的基因结构, 并且处于人或小鼠的八号染色上相互比邻的位置^[15].由于该蛋白与IDO1的结构具有相似性故被命名为IDO2, IDO2在小鼠体肾脏表达含量最高, 其次为附睾和肝脏, 实验证实IDO2也表现出催化色氨酸分解的活性^[16], 但是更多的实验表明纯化的IDO1($K_{cat}$/$K_{m}$=(70.90$\pm $22.60)$\times$10$^{3})$在特定的实验条件下表现出的活性一般高于IDO2($K_{cat}$/$K_{m}$=(4.5$\pm $0.12)$\times$10³)^[17].除此之外, IDO2是否具有其他活性还有待探究.在人类癌症相关的研究中发现, IDO2在癌细胞中有表达, 但是极少表现出催化色氨酸代谢的活性, 其功能活性还有待探索^[18].

2 IDO通路与癌症的免疫治疗

关于IDO参与的犬尿氨酸途径与肿瘤之间的关系的研究起源于20世纪50年代, 有研究指出在膀胱癌患者体内色氨酸分解代谢活动加强^[19], 20世纪70年代, 编码IDO1的基因作为一种干扰素诱导基因被第一次报道, 该基因位于人或小鼠的八号染色体上, IDO1与犬尿氨酸通路以及与癌症的关联性始终没能合理的解释^[20].直至20世纪末, 通过研究IDO1的抑制剂1-甲基-色氨酸(1-MT)逆转怀孕小鼠子宫滋养层对来自父本抗原的免疫耐受, 对IDO1的研究取得了概念上的突破性进展, 实验表明, 机体可能通过IDO1的活性提高, 加速消耗组织微环境中的色氨酸从而影响微环境中的T细胞, 实现对免疫活性的抑制^{[10, 21]}.在这种概念的指导下, 针对IDO1对T细胞, 自然杀伤细胞(Nature kill cells, NK cells)的活性抑制, 以及IDO1促进调节性T细胞(Treg)和骨髓来源的抑制性细胞(MDSCs)的分化等研究逐渐揭示了IDO1能够有效抑制局部组织的免疫活性, 同时在于疾病相关联的研究中, IDO1的免疫抑制功能会帮助癌细胞发生发展^[6].

免疫系统与肿瘤发展之间的相互作用是一种动态的复杂关系, 炎症反应在杀伤肿瘤细胞的同时会引起负反馈调节, 抑制发生炎症的组织局部免疫活性, 这种自我调控在一定程度上有利于肿瘤的发展, 另外, 肿瘤细胞自身也在免疫监视的压力下通过对自身基因表达的改变来逃脱或颠覆免疫应答, 因此, 癌症免疫治疗的关键就是破坏肿瘤细胞在癌症患者体内建立的免疫抑制机制.最早用于癌症免疫治疗的是抗体类药物, 2010年第一个肿瘤治疗性疫苗Sipuleucel-T被美国食品和药物管理局(FDA)批准用于治疗转移性前列腺癌^[22], 2011年, 第一个细胞毒性T淋巴细胞抗原-4 (CTLA-4)抗体Ipilimumab被批准用于治疗转移性黑素瘤(MM)^[23], 近期上市的程序性细胞死亡受体-1及其配体(PD-1/PD-L1)抗体药物Nivolumab、Pembrolizumab和Tecentriq, 作为新一代的免疫检查点阻断剂, 用于转移性黑素瘤(MM)以及非小细胞肺癌(NSCLC)的临床治疗, 也受到了广泛关注^[6].嵌合T细胞抗原受体(CAR-T)的免疫治疗技术已经在白血病和实体瘤(胰腺癌)的治疗中取得了显著成功^[24-25]. IDO通路作为调节免疫的重要途径, 针对IDO通路进行的肿瘤免疫治疗药物的研发也受到了广泛的关注与重视, Incyte公司发布的IDO1选择性抑制剂INCB024360 (Epacadostat)目前已经进入临床3期实验, 并且不同于以上抗体类免疫治疗药物, IDO抑制剂如Epacadostat一般为小分子抑制剂, 相较于抗体类药物具有更好的患者顺应性, 且生产成本相对较低.

IDO在人类恶性肿瘤内有广泛表达也是IDO通路作为肿瘤免疫治疗的重要基础之一, 在血液系统恶性肿瘤中的急性单核细胞白血病^[26], 以及恶性实体肿瘤中的乳腺癌^[27]、结肠癌^[28]、胃癌^[29]和小细胞肺癌^[30]等均有IDO被激活表达的报道.在部分肿瘤细胞内, 由于$Bin\mathit{1}$抑癌基因突变, 失去对肿瘤细胞内IDO表达下调的功能, 导致在肿瘤细胞内IDO能够在IFN-$\gamma $刺激后依赖STAT1和NF-$\kappa $B实现自发的持续性高表达(见图 3)^[31].还有少数肿瘤细胞表达IDO是由于机体正常免疫活动, 如肿瘤组织T细胞浸润增加, 以及炎症反应诱导表达, 在这种情况下, IDO的高表达起到控制免疫系统活性的功能, 防止免疫系统过分激活, 造成不良反应, 但是, 这种正常控制免疫活动的调节也是不利于机体对抗肿瘤细胞的增殖的, 因此抑制IDO的活性更有利于激活肿瘤中的T细胞.

图 3 IFN刺激肿瘤细胞表达IDO Fig.3 IFN stimulates the expression of IDO

在一些利用激活肿瘤内T细胞来治疗癌症的免疫治疗中, 例如临床上使用IL-12、CAR-T疗法等治疗方法在激活机体免疫功能的同时, 激活的免疫细胞本身也会分泌IFN-$\gamma $等干扰素, 加强IDO的表达^[32], 因此辅助使用IDO抑制剂可能会对这类会在肿瘤组织诱导广泛的炎症反应的免疫疗法起到良好的辅助作用.

IDO与癌症免疫治疗的相关研究中, 联系两者的主要纽带为IDO1, 由于IDO1在肿瘤组织中被肿瘤微环境诱导高表达, 并且表现出激活犬尿氨酸通路的活性, 在与癌症相关的研究中, IDO1成为科学家关注的焦点^[6].

3 处于临床前研究阶段的IDO抑制剂

综上所述, 肿瘤组织IDO的高表达与肿瘤实现免疫逃脱有着密不可分的关系, 早在20世纪80年代, 研究者就开始进行IDO抑制剂的研发, 针对该靶点的抗肿瘤药物, 也成为了小分子肿瘤免疫治疗药物研发的重点.发现新的IDO抑制剂, 是针对IDO这个靶点研发新药的关键, 有了好的先导化合物, 才能在随后的药效学评价中筛选出具有成药潜力的先导化合物, 近年来针对该靶点的研究日益增多, 这里列举出一些近些年研究报道的IDO抑制剂, 希望对药物化学的设计与合成具有一定的指导帮助作用.

3.1 色氨酸类似物 3.1.1 1-MT

由于色氨酸是IDO1蛋白的直接底物, 因此对于色氨酸的改造也是发现IDO抑制剂的最直接方式, 也是早期发现IDO1抑制剂的重要途径, 被广泛研究的化合物L-1MT($Ki$=19$\sim $ 53 $\mu $mol/L)即为色氨酸类似物^[33], 该化合物具有两种同分异构体, D-1MT和L-1MT, 其中indoximod(D-1MT)(见图 4)已经进入临床研究, 这部分内容会在后文进入临床研究的IDO1抑制剂章节中详细描述.目前, L-1MT作为重要的工具类化合物用于IDO1抑制剂的相关研究^[34].

图 4 IDO小分子抑制剂 Fig.4 Molecular structure of IDO inhibitors

3.1.2 Tryptamine (TRY)

Tourino等人的研究发现, 色氨酸的一些具有活性的代谢产物, 能够通过负反馈调节, 抑制色氨酸通过犬尿氨酸途径的代谢.例如, Tryptamine(色胺TRY), N-二甲基色胺(DMT)等化合物均具有抑制IDO1活性的作用, TRY的$Ki=160$ $\mu $mol/L, DMT的$Ki=506$ $\mu $mol/L, 而褪黑素, 5-羟色胺这类具有重要神经调节功能的色氨酸代谢产物即使在高浓度也未显现出对IDO的抑制活性, 这其中的机理还有待探究^[35].

3.2 基于结构设计的小分子抑制剂 3.2.1 Tryptanthrin类化合物

2013年, 复旦大学杨青教授课题组报导天然产物Tryptanthrin(色胺酮)及其衍生物对IDO表现出了良好的酶学及细胞水平上的抑制活性, 并且在荷瘤小鼠模型上表现出了肿瘤抑制作用. Tryptanthrin衍生物中的化合物5c对IDO1抑制明显, $Ki=0.161$ $\mu $mol/L; 在IFN-$\gamma $诱导表达IDO1的Hela细胞上的实验, 5c(见图 4)对犬尿氨酸的$IC_{50}$=0.534 $\mu $mol/L; 在C57BL/6小鼠体内接种Lewis肺癌, 以每天200 mg/kg剂量口服给药, 连续给药15 d后, 化合物5c肿瘤抑制率可以达到6%^[36].

3.2.2 4-Phenylimidazole (PiM)

4-Phenylimidazole (4-苯基咪唑)(见图 4)最早于1989年被报道出来具有IDO的抑制活性^[37], 2008年Kumar等人对该化合物进行改造, 研究了该类型化合物对IDO的抑制作用, 与色氨酸类似物不同, 该类化合物抑制IDO活性是通过非竞争性抑制实现的. IDO1的活性依赖于其配体血红素中的铁离子的状态, 当铁离子为三价时, IDO1不表现出任何活性, 而4-Phenylimidazole可以与血红素中的三价铁离子结合, 抑制其还原成二价铁离子, 从而抑制IDO1的活性, 但是4-Phenylimidazole的抑制效果较差, $Ki=8$ $\mu $mol/L, 同时对机体内血红素具有广泛的结合效果, 抑制血红素中铁离子的正常还原会破坏机体正常的氧气运输, 因此该化合物不具有良好的成药性, 仅作为研究IDO抑制剂作用机制的工具化合物使用^[38].

3.2.3 1H-Indazole类化合物

西华大学一课题组对1H-吲唑衍生物进行结构改造, 发现, 1H-吲唑支架是IDO1抑制所必需的, 而4位和6位的取代基基本上都会影响抑制活性.分子对接模型表明1H-indazoles与亚铁血红素和疏水口袋A和B的关键残基的相互作用是抑制IDO1活性的主要因素, 其合成出的化合物2 g具有较好的IDO1抑制活性, $IC_{50}$=5.3 $\mu $mol/L.该系列化合物也具有良好的开发前景^[39].

3.3 天然产物及海洋产物类 3.3.1 5-Bromo-brassinin

Mehta等人的研究表明, 从白菜或西蓝花中提取的化合物brassinin, 经改造后得到的5-Bromo-brassinin(见图 5)具有一定的IDO1抑制活性, $Ki=24.5$ $\mu $mol/L, 并且在动物模型实验中, 给予该化合物组的小鼠在后续癌症诱导因子的作用下表现出更低的黑色素瘤发病率^[40]. Park等人的研究认为, 该类植物药, 具有一定的激活免疫应答, 预防肿瘤发生发展的作用^[41].

图 5 IDO小分子抑制剂 Fig.5 Molecular structure of IDO inhibitors

3.3.2 红花种子提取物

红花(Carthamus tinctorius L)种子的提取物, 传统上用于治疗冠状动脉疾病, 血栓形成和月经问题, 但也用于治疗癌症和抑郁症. 2013年, Kuehnl等人通过提纯分离红花种子的提取物, 得到化合物trachelogenin、arctigenin以及matairesinol(见图 5), 并将这3种化合物作用于外周血单核细胞以研究其对色氨酸代谢的影响, 实验表明这3种化合物均具有明显的抑制色氨酸代谢的活性, trachelogenin的$IC_{50}$为57.4 $\mu $mol/L, arctigenin的$IC_{50}$为26.5 $\mu $mol/L, 而matairesinol的$IC_{50}$大于200 $\mu $mol/L, 进一步的实验表明, 这3个化合物通过抑制IDO1的活性, 从而实现对色氨酸代谢的调控.红花种子提取物具有的抗炎、抗癌、以及抗抑郁活性可能与其对色氨酸分解的抑制作用有关, 该类型化合物也具有以IDO抑制剂继续改造研发的潜力^[42].

3.3.3 Annulins, adociaquinones, exiguamine A等海洋药物

Andersen等人的研究表明, 部分来自海洋的天然产物也具有IDO抑制活性, Annulins A, Annulins B, 以及pyranonaphthoquinones(见图 5)均是从一种海洋水螅(Garveia annulata)中提取的天然化合物, 其中, Annulins B表现出良好的IDO抑制活性, 其$Ki=0.12$ $\mu $mol/L^[43]. Adociaquinones是从一种海绵(Xestospongia)原油中提取的化合物, 其中, Adociaquinone B表现出极强的IDO1抑制活性, 其$Ki=25$ nmol/L.从海洋生物Neopetrosia exigua中提取的化合物exiguamine A(见图 5)具有一定的IDO1抑制活性, 其$Ki=210$ nmol/L.海洋中蕴含着种类繁多的化合物, 这其中具有很好成药性的化合物, 对于海洋药物的开发也是发现新型IDO抑制剂的一个重要途径^[44].

3.4 基于高通量筛选得到的新型化合物 3.4.1 PF-06840003

PF-06840003是美国辉瑞公司于2016年公布的一种新型口服IDO1抑制剂, 具有良好的生物利用度, 已经公布的研究结果表明, 在体外实验中, 该化合物可以逆转由于IDO高表达导致的T细胞免疫活性抑制.体内实验表明, 该化合物可以有效抑制荷瘤小鼠肿瘤组织内IDO的代谢产物犬尿氨酸的浓度, 其抑制效果＞8%, 并在多种小鼠荷瘤模型中表现出良好的肿瘤抑制活性.前期药物代谢动力学实验表明, 该化合物在人体内半衰期在16$\sim $19 h左右, 这些临床前研究表明, 该化合物具有作为肿瘤免疫治疗药物的巨大潜力^[45].

3.4.2 RG70099

RG70099是瑞士罗氏公司于2016年公布的一种新颖、高效的口服IDO1抑制剂, 在细胞模型实验中该化合物的$IC_{50}$小于100 nmol/L, 在临床前体内模型的试验中, 该化合物单次给药可有效降低血浆中犬尿氨酸的含量, 抑制效果＞9%, 并且该化合物能渗透到肿瘤以及肿瘤淋巴结中, 使得肿瘤微环境中犬尿氨酸含量下降95%以上.该化合物表现出了良好的IDO1以及TDO的选择性抑制, 在能够表达TDO的肿瘤动物模型中, RG70099每天两次给药可以降低肿瘤组织中犬尿氨酸的含量达9%, 而选择性IDO1抑制剂在这种实验条件下, 无法实现对犬尿氨酸的调节.作为IDO1/TDO双重抑制剂, 该化合物能够更有效地实现对犬尿氨酸通路的抑制.根据免疫组织分析, IDO1, TDO在多种肿瘤组织中, 以及免疫细胞中都有高表达, 因此, 这种双靶点同时抑制的双靶点抑制剂可能具有更好的药效, 作者认为, 该化合物还有良好成药性, 具有逆转IDO1和TDO的免疫抑制作用的潜力, 并激活抗肿瘤免疫应答的能力^[46].

4 处于临床研究阶段的IDO抑制剂

目前的处于临床研究阶段的抑制剂研发主要从对IDO酶活性的抑制, 实现对免疫系统抑制的逆转, 从而达到杀伤肿瘤细胞的目的(见图 6).

图 6 针对IDO的药物研发 Fig.6 Schematic depicting the development of drugs for IDO

IDO作为一种调节代谢活动的酶, 其抑制剂的开发主要围绕着IDO酶活功能进行, 目前关注度比较高的的抑制剂有Epacadostat、Indoximod、GDC-0919和BMS-986205等.由于该类型化合物研究起步较早, 投入较大, 目前已经有数种抑制剂被美国FDA批准进行临床Ⅰ-Ⅲ期实验.下面对已经进入临床试验的IDO小分子抑制剂进行总结.

在美国临床试验数据库查询IDO的小分子抑制剂的临床试验进展可以得知, 目前Epacadostat、Indoximod、GDC-0919和BMS-986205等IDO小分子抑制剂率先进入了临床研究阶段(见图 7和表 1).

图 7 处于临床研究阶段的IDO抑制剂 Fig.7 Molecular structure of IDO inhibitors used in clinical trials

表 1 处于临床研究阶段的IDO抑制剂 Tab.1 IDO inhibitors used in clinical trials

4.1 Epacadostat

Epacadostat为Incyte公司通过高通量筛选得到的化合物, 该化合物为可口服的IDO1抑制剂, 在早期临床前研究中, 其表现出极好的体外活性, 对IDO1的体外抑制活性$IC_{50}$=10 nmol/L^[47], 在小鼠荷瘤实验模型中, Epacadostat通过对IDO1的抑制, 能够显著减低小鼠体内犬尿氨酸的含量, 并抑制肿瘤生长, 但这种肿瘤抑制作用在免疫缺陷小鼠体内无效.有实验报道, 在负荷CT26结肠癌的小鼠模型中, Epacadostat(100 mg/kg, 口服给药)能够显著抑制肿瘤生长^[48].优秀的临床前研究数据, 也让该化合物顺利进入临床试验阶段, 在临床Ⅰ期剂量研究中(NCT01195311), 52名晚期肿瘤患者在8个剂量(50 mg/d, 50 mg, 100 mg, 300 mg, 400 mg, 500 mg, 600 mg以及700 mg, 每天两次)为期28 d的试验中, 9.6%的患者出现腹痛, 低血钾症, 疲劳等3-4级不良反应, Epacadostat有良好的耐受性.检测所有剂量组的每名患者的血浆中犬尿氨酸与色氨酸的比例, 均发现显著降低, 且呈现一定剂量依赖性, 在300 mg, 每天两次的剂量下可以观察到最大药效, 在整个给药期间, 300 mg, 每天两次给药可以实现对IDO1的抑制达到9%以上^[49].美国FDA于2011年批准上市的CTLA-4单抗药物Ipilimumab(易普利姆玛)能够有效地治疗晚期黑色素瘤, 在Epacadostat与Ipilimumab合用的临床试验(NCT01604889)中, Epacadostat分别以300 mg, 每天两次给药, 以及25 mg, 每天两次给药两组与ipilimumab合用, 用于治疗IV期黑色素瘤, 高剂量组(Epacadostat 300 mg, 每天两次给药)5名患者出现强烈不良反应, 而低剂量组(Epacadostat 25mg, 每天两次给药)表现出了良好的耐受性, 在治疗期间仅出现了轻微可逆的免疫相关副作用, 针对6名患者长达9周的治疗评估确认其疾病控制率高达75%.在2015年最新提交的报告中, 结果显示, Epacadostat合用组提高疾病控制率达31.2%, 在13个月的随访中, 发现接受该药物治疗的患者, 其无进展生存期(PFS)相较于未经过该药物治疗的患者, 增加了7.7个月.因此, 认为Epacadostat可以安全的与Ipilimumab合用, 以提高Ipilimuma对黑色素瘤的治疗作用^[50].另外, Epacadostat在与另一种抗肿瘤免疫治疗药物pembrolizumab(PD-1单抗)合用的临床试验(NCT02178722)中, Epacadostat与pembrolizumab合用同样表现出了良好的疗效, 并且患者耐受性良好^[51], 目前已经开展临床Ⅲ期(NCT02752074)试验, 比较pembrolizumab(固定剂量200 mg/3周一次)+Epacadostat (100 mg, 每天两次)与pembrolizumab+安慰剂的试验^[52]. Epacadostat还用于在骨髓增生综合征患者和原发性成骨细胞在2%$\sim $3%之间的急性髓性白血病(AML)患者上的临床二期试验(NCT01822691).试验包括了15名患者, 所有患者均接受Epacadostat 600 mg, 每天两次给药治疗16周, 其中12例病情出现稳定, 3例未出现任何改善.所有患者仅有两例出现3到4级不良反应, 且治疗后, 患者9名单核细胞中IDO平均水平相较于正常水平下降3%^[53].该药物在临床实验阶段取得了良好的效果, 并表现出极佳的患者耐受性, 在与抗体类药物合用时也表现出一定的治疗效果, 缺点在于, 单独使用的过程中抑制肿瘤生长的作用并不明显.

4.2 Indoximod

上文中提到, 改造色氨酸类似物是发现IDO抑制剂的重要方法, Indoximod即为New Link Genetics公司开发的一种IDO抑制剂, 其分子结构为甲基化的色氨酸, 是色氨酸的类似物, 通过与IDO底物特竞争结合位点, 从而实现对IDO活性的抑制. Indoximod即为D-1MT, 作为早期IDO抑制剂被广泛研究, 在体外实验中表现出一定的IDO抑制作用, $Ki=34.6$ $\mu$mol/L, 并且表现出较弱的毒性, 用人体分离的树突状细胞(DCs)进行IDO抑制的实验, 结果表明, Indoximod可以通过抑制IDO活性, 实现对犬尿氨酸通路的抑制, 具有良好的抑制效果, 该药物也作为靶向IDO的抗肿瘤药物, 率先进入临床试验阶段^[54]. Indoximod的早期临床试验(NCT00567931)^[55]招募了48名成年恶性实体瘤患者, 在剂量递增试验中, 口服Indoximod耐受性良好, 耐受剂量达到了2 000 mg每天两次, 表现出的毒性主要为疲劳(1例), 以及下垂体炎(2例).在最初就诊于每天接受200 mg Indoximod的10名患者中, 有7名可评估患者, 这其中5人出现了治疗反应, 达到疾病稳定.所有患者仅有两例出现3到4级不良反应, 且治疗后, 患者9名单核细胞中IDO平均水平相较于正常水平下降3%^[56].在与传统细胞毒类抗癌药多西紫杉醇合用用于实体瘤治疗的临床试验(NCT01191216)中, 在27名患者中, 22名患者出现良性治疗效果^[57]. Indoximod在与抗肿瘤免疫治疗药物pembrolizumab(PD-1单抗)合用的临床试验中(NCT02073123), 最近的数据表明, 在60名收拾患者接受了一个周期21 d的Indoximod(1 200 mg每天两次)与pembrolizumab(3 mg/kg, 仅在第一天给药)联合治疗后客观响应率为52%, 完全响应率为8%, 该剂量下患者也表现出了较好的耐受性, 在受试患者中17%出现贫血, 17%患者出现高血糖症状^[58].该药物由于在体内毒副作用小, 因此具有较大的给药区间, 极低的毒副作用, 并在与抗体类药物合用过程中表现出的良好效果, 但单独使用抗肿瘤效果有限也是其缺陷之一.

4.3 GDC-0919

GDC-0919为罗氏公司近期收购的小分子IDO抑制剂, 即之前的NLG919, 早期NLG-919作为一种有效的IDO抑制剂被报道出来, 其在酶学水平以及细胞模型的实验中, 表现出良好的IDO1选择抑制活性, $Ki=7$ nmol/L, $EC_{50}$=75 nmol/L, 口服生物利用度$F>70$%.在小鼠中, GDC-919单次给药后可以检测到小鼠血浆以及组织中犬尿氨酸含量下降5%左右, 在接种了B16F10肿瘤的小鼠中, GDC-919与pmel-1疫苗合用组较对照组肿瘤组织消退约95%^[59], 目前主要在进行临床一期(NCT02048709)^[60]安全性评价, 目前没有公开临床试验数据. GDC-0919近期又被FDA批准与罗氏公司推出的PD-L1抗体类药物Atezolizumab合用针对实体瘤患者进行的临床一期试验(NCT02471846)该临床试验仍在进行中, 暂时没有公开试验数据^[61].

4.4 BMS-986205

BMS-986205为Bristol-Myers Squibb公司旗下的一个IDO1选择性抑制剂, 在之前公布的体外实验数据中其对IDO1的抑制效果极好, $IC_{50}$=1.1 nmol/L, 目前该化合物正处于临床1期以及临床2期实验阶段, 最近公布的临床实验数据显示, 在已经接受治疗的42名患者中, 所有治疗有关的不良反应事件均为1到2级, 数据显示, 在每天一次给药, 给药剂量分别为25 mg, 50 mg, 100 mg, 200 mg各组别中, 所有组别的患者血浆中犬尿氨酸含量都有明显降低(降低幅度＞45%, 100 mg, 200 mg组别降低幅度＞6%), 在治疗前后肿瘤内部犬尿氨酸含量的测定中, 肿瘤内部犬尿氨酸浓度降低超过9%^[62].目前, BMS-986205与PD-1抗体类药物Nivolumab的联合用药, 用于治疗黑色素瘤的临床试验正在招募中.该化合物在体外实验中表现出了极强的选择性抑制IDO1的活性, 但是相较于处于临床阶段的其他化合物, 其耐受剂量较低, 则意味着该化合物用于癌症治疗时治疗窗口较小.

5 部分酪氨酸激酶抑制剂可以抑制IDO表达

在上述有关IDO调控免疫应答的机制中, 除了IDO本身的酶活性以外, 其作为信号分子也起到长期调控免疫抑制的功能, 因此, 抑制IDO表达在阻碍其作为信号分子抑制免疫活性的同时, IDO表达的减少, 也会抑制犬尿氨酸通路介导的免疫抑制(见图 6).

Imatinib (伊马替尼)是一种蛋白质酪氨酸激酶抑制剂, 用于治疗Ph染色体阳性慢性粒细胞白血病和恶性胃肠道间质肿瘤.该药物为已经上市的抗肿瘤药物, 在近期的研究报道中, 伊马替尼在治疗胃肠道间质瘤的过程中, 对病人样本研究发现, 伊马替尼可以通过抑制KIT通路, 从而抑制IDO的表达^[63], 这种对IDO表达的抑制能有效降低肿瘤组织, 以及病人血液中犬尿氨酸的含量, 并且检测免疫系统发现, 调节性T细胞所占比例也有所降低, 效应T细胞所占比例升高, 伊马替尼作为酪氨酸激酶抑制剂能够调节IDO的表达, 降低IDO在肿瘤组织以及肿瘤淋巴结中的表达量, 有效抑制IDO本身作为一种信号分子对免疫活性的长期抑制^[12].开发出能够特异性抑制IDO表达的药物, 可能具有更好的激活免疫系统清除肿瘤细胞的效果.

6 总结与展望

免疫系统的调节是通过众多通路协同作用的, 因此单一抑制其中一个靶点对于激活免疫应答, 杀伤癌细胞的作用较弱, 早期临床试验也证明单一使用IDO抑制剂对肿瘤的杀伤作用远不及传统的化疗药物, 只能起到部分控制病情发展的作用.因此现如今的研究思路在于, 通过抑制IDO进行的免疫治疗与传统的化疗, 放疗方式相结合, 通过阻碍IDO介导的免疫抑制, 增强在其他疗法后肿瘤组织周围的免疫活性, 延缓肿瘤细胞重新建立免疫耐受的时间, 增强其他治疗手段对癌细胞的杀伤作用, 实现对肿瘤细胞的有效杀伤^[9].

近些年来, 越来越多的IDO抑制剂被发现, 围绕着IDO进行的新型抗癌药的研发也进行的如火如荼, 部分化合物已经进入临床阶段, 一些正在进行的或初期的临床数据表明了IDO抑制剂具有一定的肿瘤免疫治疗的应用价值, 但是IDO抑制剂参与的多靶点免疫治疗效果, 目标制剂研究, 成药价值的评价, 需要更多的临床前及临床研究来证实.在国内, 商品化IDO检测试剂盒也已经进入了市场, 避免了各个实验室在开展相关实验的过程中需要对IDO进行自行表达, 分离纯化, 商品化的IDO检测试剂盒极大地降低了开展IDO抑制剂筛选工作的难度.另外, IDO抑制剂作为免疫治疗药物的特殊性, 使得对其有效性的评价相对于其他细胞杀伤性抗癌药物的有效性评价更为复杂, 这些都限制了IDO抑制剂的研发工作.在全球医药企业巨头, 罗氏和辉瑞等公司对于IDO抑制剂研发的巨大投入的引领下, 国内外科研人员在进行着不断地深入的研究以阐明IDO结构、功能、及其介导的免疫调控机制.在国内有关IDO抑制剂的研发也在在如火如荼的进行着, 近期新闻报道, 由中国科学院上海有机研究所与信达生物制药(苏州)有限公司达成合作协议, 信达公司以4.57亿美元获得上海有机所王召印研究员主持研发的吲哚胺2, 3-双加氧酶(IDO)小分子抑制剂的全球独家开发许可权, 复旦大学杨青教授课题组自主研发的IDO抑制剂也已转让给美国制药企业HUYA (沪亚)公司, 进行后续的成药研发.恒瑞医药也于2017年5月收到了美国FDA签发的书面通知, 允许恒瑞具有自主知识产权的IDO小分子抑制剂SHR9146开展药物临床实验.可以期待在不久的未来, IDO抑制剂参与肿瘤免疫治疗会给人类克服癌症难题带来新的希望.

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