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鞘氨醇-1-磷酸的生物效应学多样性及相关药物研发探讨

发布时间:2020-06-18 11:27:52 | 来源:【药物研发团队 2020-06-18】
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鞘脂是生物膜的重要组成成分,具有保护细胞内物质的作用。随着生物技术的发展以及人类疾病谱的复杂化,人类对鞘脂的认识不断深入。现在认为,鞘脂不仅是生物膜的重要组成成分,同时还在细胞生命活动信号转导中发挥重要作用。

鞘氨醇-1-磷酸(S1P)是近年来发现的具有重要生理功能的生物活性脂类,是来源于鞘脂代谢途径的多效性信号分子,广泛存在于血液、淋巴液、红细胞、中性粒细胞、血小板细胞,在形成S1P的同时,可经S1P磷酸化酶作用脱去磷酸基生成鞘胺醇,也可经S1P裂解酶(S1PL)不可逆地分解为磷脂酰乙醇胺和棕榈醛,从而保证了人体生理环境中S1P的动态平衡。

S1P是细胞膜鞘磷脂的代谢产物之一,是由血浆中的鞘氨醇激酶-1(SPHK1)和鞘氨醇激酶-2(SPHK2)催化产生的一种具有多种重要生理功能的生物活性脂类物质。鞘磷脂首先被鞘磷脂酶水解为神经酰胺,后经神经酰胺水解为鞘氨醇,并激活鞘氨醇激酶,形成S1P,再经S1P磷酸酶、S1P裂解酶或溶血磷脂磷酸酶降解。S1P广泛存在于血液、淋巴液、红细胞、中性粒细胞、血小板等体液和细胞中,多种细胞,包括红细胞、血小板、巨噬细胞、肥大细胞及内皮细胞等都与S1P的合成和分泌相关。目前已有一些方法用于检测标本中S1P的含量,如放射自显影技术、放射性受体竞争性结合实验、HPLC柱前衍生化、质谱、LC-MS/MS、ELISA等方法。

S1P在血液中主要与高密度脂蛋白结合,这有助于S1P被运输到相应的S1P受体(S1PR)。在多种S1P合成与降解协调作用下,S1P在血液、淋巴液以及组织间存在独特的浓度梯度。血浆中S1P含量高达0.4~1.5μmol/L,比淋巴液中S1P含量高约25倍,较组织间液中含量高约1000倍,这一浓度梯度与S1P的多项生理功能如调节淋巴细胞运输以及调节血管内皮屏障功能等均密切相关。

S1P作为一种多效信号脂质分子,既可作为细胞内第二信使参与细胞内信号转导,直接作用于细胞内靶标,又可由三磷酸腺苷结合盒转运体(ABC)转运到细胞外,结合并激活细胞膜表面的S1P的五种G蛋白偶联受体(S1PR),从而激活一系列下游信号通路产生重要生理功能,介导多种生物学效应,如细胞的增殖、迁移、存活、凋亡和细胞通讯等,参与免疫调节、造血调控、同种异体移植反应、糖代谢调节和炎症调节等多种生理功能。

S1P生物学效应的多样性主要取决于偶联蛋白受体的亚型及细胞组织中G蛋白受体的特异性表达,目前共发现S1P受体(S1PR)1~5这五种亚型。S1P在低浓度(nmol/L水平)即可以与这五种受体结合。S1PR在不同的组织和细胞类型中分布不同,并且介导的生物学效应也不尽相同。S1P1、S1P2和S1P3普遍表达于体内的各种组织,在胚胎发育阶段,S1P1在血管系统高度表达,对脉管系统的正常发育尤为重要;而在成人组织中,S1P1表达于多种组织器官,包括脑、肺、肝、心和脾,并且是淋巴细胞表面的重要受体,介导淋巴细胞的归巢。S1P1主要通过结合Gi和G12/13蛋白发挥多种生物学效应,如血管屏障保护作用、介导淋巴细胞的归巢作用等。S1P3主要分布于心脏成纤维细胞及心肌细胞,S1P2和S1P3主要与Gi、G12/13及Gq蛋白结合。S1P4主要表达于淋巴及造血组织等;目前,对S1P5的研究较少,S1P5主要表达于中枢神经系统相关的通路。S1P4和S1P5主要结合Gi和G12/13蛋白。

S1P是来源于鞘脂代谢途径的多效性分子,其代谢受到多种因素调控,可通过在胞外结合其特异性G蛋白偶联受体及胞内作用而调节多重重要的生物学效应。S1P作为细胞外介质和细胞内信使调节正常的生理机能,同时,也在各种病理过程中发挥调节作用。S1P受体参与多种生理功能的调控,并且集中表达于免疫系统和血管系统。

近年来,基于S1P信号通路的药物研发已成为自身免疫性疾病、肿瘤等相关领域的研究热点。本文通过对S1P生物学效应多样性研究进行归纳和总结,为进一步的新药研发提供参考。

一、血细胞释放化学信号S1P的机制

血源性化学信号S1P是由血细胞释放出来的,用于调节免疫功能和血管功能。但是长期以来,人们对S1P是如何释放到血液循环中的知之甚少。在一项研究中,来自新加坡国立大学的研究人员报道,他们在血细胞中发现了这种通路。他们的发现对治疗各种免疫疾病和血管疾病产生广泛的影响。相关研究结果于2017年10月18日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Mfsd2b is essential for the sphingosine-1-phosphate export in erythrocytes and platelets”。

作为一种细胞外信号,S1P是血液循环中的T细胞和B细胞等免疫细胞运输所必需的。这些免疫细胞是适应性免疫反应的一部分,而适应性免疫反应又是正常免疫反应的一个重要的组成部分。然而,它们在自身免疫疾病和炎性疾病等疾病中发挥着有害作用。利用芬戈莫德磷酸盐阻断S1P信号通路已被成功地用于治疗多发性硬化症,其中芬戈莫德磷酸盐是S1P的一种类似物。

S1P信号缺乏也会对血管造成损害,这经常导致血管并发症,如心血管疾病和中风。在这项研究中,新加坡国立大学助理教授Long N. Nguyen博士和他的团队发现血细胞产生化学信号S1P的方式。他们发现在血细胞中缺乏Mfsd2b蛋白的小鼠在它们的血液循环中具有较低的S1P水平,这就导致异常偏低的循环淋巴细胞和增加的休克敏感性。他们的突破性发现为操纵循环S1P水平用于治疗炎性疾病和血管疾病奠定基础。

令人惊讶的是,他们还发现,缺乏Mfsd2b的小鼠具有较低的红细胞数量,对化疗和放疗比较敏感。这提示着增加的血浆S1P水平对接受化疗和放疗治疗的癌症患者可能是有益的。

在过去很长的一段时间里,科学家们曾一直猜测造血细胞是血液循环中的主要S1P提供者。然而,这种分子转运机制是未知的,这使得理解这种化学信号在血液循环中的作用成为一项艰巨的任务。Nguyen博士说,“我们的研究鉴定出S1P产生的一种至关重要的分子靶标。这就为开展调节S1P信号用于治疗多种疾病的研究开辟了新的途径。”

二、S1P信号通路与生理和病理

由于S1P分布的广泛性和功能的多样性,使其与多种生理和病理过程相关。所以通过对酶或受体的调节,使疾病部位S1P的浓度发生改变,从而起到治疗和缓解疾病的目的。

在心血管系统中,S1P主要参与血管生长和血管紧张度调节等重要功能,在抑制动脉粥样斑块生长、治疗心肌梗死、调节心肌肥大中发挥重要作用。有研究发现,S1P可以通过PI3K/Akt信号通路减轻心肌缺血再灌注损伤,具有保护心肌的作用;此外,S1P和ERK1/2信号通路对小鼠肥厚心肌缺血再灌注具有缺血后适应保护作用;还有研究表明,经S1P处理的原代骨髓间充质干细胞(BM-MSCs)更易内皮化,从而促进BM-MSCs更好地修复损伤的心肌细胞,促进BM-MSCs的临床应用。

在糖代谢方面,S1P可增加胰岛素抵抗细胞摄取葡萄糖的能力,改善糖代谢。在胰岛素诱导正常人肝L02细胞成功构建的胰岛素抵抗模型中,有研究发现S1P可以促进模型细胞的糖代谢,提示S1P可以作为筛选降糖药的新靶点。也有研究发现,高血糖可以激活S1P/SPHK1信号通路,使肾小球系膜细胞增殖,与糖尿病肾病的发生发展相关,为临床糖尿病肾病的治疗提供了新的思路。

在免疫系统中,抑制鞘氨醇激酶(SPHK)激活能显著或者甚至完全阻断促炎物质引起的细胞反应,如钙离子的代谢、脱颗粒、趋化性和细胞因子的分泌。此外,S1P还可通过与细胞表面的S1P受体结合,使受体内陷,诱导淋巴细胞归巢,抑制淋巴细胞自外周淋巴结及次级淋巴器官的外流,阻止淋巴细胞到达炎性损害或移植物的位置,具有免疫调控的作用。S1P信号通路参与多种自身免疫性疾病的发生发展,如多发性硬化症、系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎、溃疡性结肠炎等。S1P拮抗剂可使淋巴细胞停留在淋巴组织内,防止进入外周血和炎性病变部位,从而抑制外周的免疫反应。近年来,S1PR的选择性和非选择性调节剂的研发已成为治疗自身免疫病药物的新趋势。

肿瘤方面,神经酰胺和鞘氨醇主要引起细胞周期阻滞和促进细胞凋亡,而S1P则主要促进细胞存活。催化S1P生成的关键酶SPHK1由于具有肿瘤的癌基因特性且在多种肿瘤细胞中高表达,上调SPHK1的表达能够增强细胞的致癌性,所以S1P与鞘氨醇之间的平衡决定了细胞的命运,SPHK已成为肿瘤治疗的靶点,SPHK的选择性和非选择性抑制剂已在不同的研发阶段。

在呼吸系统中,最近在肺部炎症研究中发现,其血清和肺泡灌洗液中S1P及SPHK表达增加,并通过S1P/SPHK信号通路调节肺血管重塑、气道高反应性和平滑肌收缩等,从而影响肺部相关疾病的发生发展,如哮喘、肺纤维化、肺炎、肺癌和慢性阻塞性肺疾病等。S1P信号通路相关药物的研发可能为肺部难治性疾病提供新的治疗靶点。

在其他方面,S1P可以提高骨骼肌成肌细胞DNA合成、促进细胞生长,在肌损伤细胞移植治疗中具有重要作用。S1P在缺氧条件下对人视网膜色素上皮细胞的增生有促进作用,对细胞的凋亡有抑制作用,由于缺氧是脉络膜新生血管的关键因素,也是许多眼部疾病的病理基础,所以随着S1P研究的进一步深入,其相关机制有望成为脉络膜新生血管治疗的新靶点。最近研究还发现,SPHK/S1P/S1PR信号系统介导的血管生成在肝纤维化中起重要作用,可能会为肝纤维化治疗提供新的思路。

总之,S1P作为生物活性脂质与很多生理和病理过程相关,与其相关的药物研发已成为医药领域研究的热点。

三、S1P与相关系统的疾病

S1P与免疫系统疾病

淋巴细胞归巢是以淋巴细胞表面的归巢受体与血管内皮细胞表面的黏附分子—血管地址素的相互作用为基础定向移动的一种迁移活动,在淋巴细胞的成熟、再循环以及向炎症部位渗出过程中均会发生。

淋巴细胞归巢是淋巴细胞的定向游动,包括淋巴干细胞向中枢淋巴器官归巢,成熟淋巴细胞向外周淋巴器官归巢,淋巴细胞再循环以及淋巴细胞向炎症部位(如皮肤、肠道粘膜和关节滑膜等炎症部位)迁移。其分子基础是淋巴细胞表面称之为淋巴细胞归巢受体(LHR)与内皮细胞上相应的血管地址素的相互作用。

淋巴细胞的归巢是一个多种黏附分子参与并受各种因素调节的复杂过程,对于这一过程还缺乏系统的、确切的认识。随着免疫生物学和分子免疫学研究的进展,必将推动这一重要领域的深入研究,并为某些疾病的诊断、预防和治疗提供一条崭新的途径。

作为细胞外介质和细胞内信使,S1P在免疫系统中发挥重要的调节作用,对淋巴细胞,尤其是T细胞的迁移和归巢以及对适应性免疫具有重要作用。S1P参与免疫细胞的迁移、增殖、分化及死亡细胞清除等过程。S1P的代谢途径非常复杂,受到严格的调控。细胞外的S1P浓度梯度对于免疫细胞的迁移及分化等具有重要作用,其代谢调控机制具有高度的规范,并非由扩散形成的简单梯度。对于S1P浓度梯度调节机制的理解仍不全面,关键问题仍待解决。S1P在免疫调节中的相关分子机制仍不十分清楚。通过对S1P进一步深入研究,可为免疫相关疾病的临床研究提供理论依据,对疾病的临床治疗和新药开发具有重要意义。

1、S1P与自身免疫性疾病

S1P/S1PR信号与自身免疫性疾病存在密切关系。在免疫系统,S1P与未成熟的和记忆T细胞膜上的S1PR相互作用,调节T淋巴细胞的发育和组织归巢。S1P是引起淋巴细胞迁移的重要因素,S1P调节剂可使淋巴细胞驻留在淋巴组织内,避免淋巴细胞进入外周血和炎症性病变部位,从而抑制外周的免疫反应。S1P/S1PR信号参与多发性硬化症、系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎、干燥综合征、炎症性肠病、克罗恩病等自身免疫性疾病的发生和发展,但具体机制仍不十分清楚,有待进一步的研究。随着对S1P/S1PR信号与自身免疫性疾病关系研究的不断深入,将有助于进一步明确自身免疫性疾病的机制,为自身免疫性疾病的治疗和相关药物研发提供新的思路。

2、S1P与细胞因子风暴

细胞因子风暴是指机体感染微生物后引起体液中多种细胞因子如 TNF-α、IL-1、IL-6、IL-12、IFN-α、IFN-β、IFN-γ、MCP-1 和 IL-8 等迅速大量产生的现象,是引起急性呼吸窘迫综合症和多器官衰竭的重要原因。细胞因子的大量渗出形成“风暴”,从而导致重症,在学术上被称作“细胞因子风暴综合征”(CSS)CSS 是一种严重危及生命的疾病,标志是一种不受控制和功能失调的免疫反应,涉及淋巴细胞和巨噬细胞的持续激活和扩增,它们分泌大量的细胞因子,导致了“细胞因子风暴”,其临床特点表现为全身炎症、高铁蛋白血症、血流动力学不稳定和多器官功能衰竭,致死率极高。一旦“细胞因子风暴综合征”发生,患者的病情会急剧恶化,如呼吸加快、血氧饱和度下降,甚至凝血功能障碍,不仅仅是肺,多个脏器也都会发生衰竭。

免疫系统的日常工作是清除感染,但是如果免疫系统被激活到极限程度或者失去控制,它就会伤害宿主,极端的免疫攻击就是“细胞因子风暴”。

细胞因子是免疫细胞彼此沟通的重要手段之一,也是细胞释放到血液中的小分子,可以令免疫细胞冲到感染部位、吞噬遭到损伤的细胞,甚至穿透血管壁。细胞因子同时也引发炎症,令被破坏的机体肿胀、发热以及疼痛。

由于细胞因子是人体免疫系统抗击外源性感染的重要屏障之一,当病毒侵入人体细胞后,细胞因子风暴就是一种求助信号,目的是让免疫系统霎时间火力全开。这最后一招自杀式的攻击能够消灭病毒,但也会留下一大堆连带伤害。血管承受了其中最主要的攻势。细胞因子风暴令血管壁变得更容易穿透。因此动脉、静脉和毛细血管都开始渗出血液和血浆。细胞因子风暴还会引发一氧化氮的大量释放。这种物质会进一步稀释血液并破坏血管。所有这些因素综合起来,把血压降到了危险的水平,所以患者不是死于失血,而是死于某种类似严重感染性休克的问题。除此之外,在过度的免疫反应中,免疫细胞也会攻击人体自身细胞,造成各个器官的损伤,如肺,心肌、肾脏和肝脏等,导致多个器官功能衰竭。

动物实验研究表明[Cell 146(6):980-991,2011],S1P1受体抑制剂可以阻挡病毒感染引起的细胞因子风暴,降低死亡率。该受体广泛分布在血管内皮细胞和淋巴细胞表面,与细胞因子风暴有关。该实验的动物模型是人 2009 H1N1 流感病毒(猪瘟病毒)感染的 C57Bl/6 小鼠。这种病毒可在人体下呼吸道大量复制,导致重症肺炎,因此该动物实验有提示意义。该实验的重要意义在于它揭示了血管内皮细胞是细胞因子风暴的重要参与者,也是中心调控者。依据是对于淋巴细胞缺陷的老鼠,S1P1 受体抑制剂对抗细胞因子风暴同样有效。因为 S1P1 受体与微循环毛细血管通透性调控有关,而 S1P1 受体抑制剂可以减小细胞因子风暴导致的毛细血管渗漏。

3、S1P与脓毒症

脓毒症是由感染引起的机体免疫反应失调所致的可危及生命的严重疾病,常导致多器官功能障碍甚至衰竭。脓毒症导致的器官衰竭主要与内皮细胞和免疫细胞在炎症环境中的病理生理变化有关,包括血管通透性增加、血栓形成、炎症及免疫反应失调。研究表明,S1P参与调节脓毒症中内皮细胞屏障功能、炎症、免疫和凝血反应。补充体内的S1P,选择性激动S1PR1并抑制S1PR2和S1PR3可能成为改善早期脓毒症患者病情的治疗手段。由于脓毒症中各个阶段机体的免疫与炎症状态不同,根据患者病情进展的不同阶段相应地调节S1P及其受体水平可能对患者更有利。血液S1P水平可能与脓毒症患者的病情严重程度相关,血液S1P水平可能是预测脓毒症患者病情严重程度和预后的潜在标志物。由于脓毒症各个阶段的差异及患者的个体差异,S1P预测患者病情是否具有稳定性仍需要进一步临床研究证实。目前有关S1P水平对脓毒症发生发展的影响仍不清楚,S1P水平及特异性S1P受体调节剂在脓毒症中的作用仍有待于进一步探索。

(二)S1P与血管系统疾病

大量研究表明,S1P不仅调控免疫细胞的运输,而且在调节细胞凋亡、血管内皮细胞间连接、血管生成等方面也发挥重要作用。血管生成、血管内皮细胞迁移、细胞黏附作用、血管内皮细胞屏障形成、新生血管成熟、血管功能、肿瘤血管新生等均与S1P密切相关。S1P主要通过与其受体结合调节多种生物学效应,而S1P主要通过S1PR1、S1PR2、S1PR3 对血管进行精细而复杂的调节,因不同种细胞表达S1PR的类型及数量存在差异,故S1P在不同细胞中发挥的生物学效应存在差异。S1P通过其受体的特异性介导不同的信号通路,对血管生成起到双向调节作用,在血管发生和血管网络形成、血管稳定性和完整性及对于血管功能的调节中,S1P都起着至关重要的作用。

(三)S1P与神经系统疾病

S1P与神经酰胺都被称作“生物活性鞘脂”,二者的功能在许多方面是互相拮抗的。在神经系统中,神经酰胺和S1P参与神经元生存与死亡调控,参与缺血性脑血管病、阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和衰老等生理病理过程。

(四)S1P与心血管系统疾病

S1PR1信号通路广泛参与心血管系统的生理病理进程,如抑制缺血心肌细胞凋亡、保护缺血再灌注损伤时的心肌功能、通过抑制内皮细胞和血管平滑肌细胞的促炎反应,从而抑制动脉粥样硬化的形成以及维持血管内皮的完整性等。

血管损伤后S1PR1可提高损伤部位单核细胞炎症反应,并刺激局部血栓形成,继而凝血酶生成增多,凝血功能增强,基于这一病理生理反应,可望应用于促进受损血管的愈合。

但也有研究认为S1PR1对心脏功能具有一定的不利作用,因此如何正确选择S1PR1作为心血管系统疾病治疗用药的潜在靶点,如何趋利避害,将成为相关研究领域关注的热点。

(五)S1P与呼吸系统疾病

1、S1P与肺泡病变

肺泡毛细血管内皮屏障主要由肺泡毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞构成。该屏障的破坏以及持续的炎症细胞浸润在慢阻肺、急性肺损伤和特发性肺纤维化等肺部疾病的发生发展中起到重要的促进作用,如引起急性肺损伤以及窘迫综合征的肺渗漏。该屏障的破坏还会导致液体在肺间质及肺泡中积聚,并促进炎症反应和进一步的肺组织坏死及纤维化。目前,S1P对肺泡毛细血管内皮屏障的稳态调节作用已受到广泛关注,但由于其复杂性,具体的调节机制仍未完全阐明。不同浓度的S1P可能通过作用于不同的S1P受体亚型介导截然相反的生物学功能。基于S1P可以通过作用于肺泡毛细血管内皮细胞以及肺泡上皮细胞的S1P1从而发挥屏障保护作用,S1P1有望成为肺泡毛细血管内皮稳态调节异常相关肺部疾病的潜在靶点,高选择性的S1P1激动剂有望用于这些疾病的潜在治疗。

2、S1P与哮喘

哮喘是一种以多种细胞,尤其是肥大细胞、T淋巴细胞以及嗜酸粒细胞等炎症细胞参与的气道慢性炎症和以气道高反应性为特征的疾病,其主要病理表现为支气管平滑肌痉挛、黏膜纤毛功能障碍、黏膜肥厚、黏液栓塞等,以上的气道炎症反应直接导致气道高反应性,反复发生最终形成气道狭窄和气道重塑。

有研究表明,在肥大细胞中鞘氨醇激酶的激活通过FcεRI信号通路使鞘氨醇转变为S1P,参与诱导气道平滑肌的收缩和气道重塑。S1P作为强有力的脂质分子,参与了哮喘发病的多个环节,并影响其后续的病理生理改变。因此,通过S1P的研究开发治疗哮喘的药物已引起学者们的关注,尤其对于部分对现有常规治疗如糖皮质激素及β2受体激动剂药物不敏感的患者,S1P选择性激动剂或拮抗剂很可能成为治疗哮喘的新型药物。

3、S1P与慢阻肺

炎症是慢阻肺(COPD)的重要特征。组蛋白去乙酰化酶(HDAC)COPD的炎症中起着重要作用。有研究表明,COPD患者的肺巨噬细胞以及外周血单个核细胞的HDAC活性较健康人降低,茶碱和糖皮质激素可通过恢复HDAC活性起到抗炎作用,提示逆转降低的HDAC活性有望成为新的治疗COPD肺部炎症药物的靶点。

近年来的研究发现,S1P与HDAC的功能有着密切的关系。S1P过度表达可以抑制HDAC的活性,从而促进组蛋白乙酰化和促进炎症基因的表达。S1P可能参与了COPD肺部炎症的进程,有望作为恢复COPD降低的HDAC活性的靶点。

(六)S1P与糖尿病肾病

糖尿病肾病(DN)作为糖尿病的一个重要微血管并发症,是终末期肾病的首要病因,多种因素参与其发生和发展。近年来研究发现高血糖可以刺激肾脏的SPHK/S1P信号通路,通过MAPK、Smsds、PKC、Rho家族的小GTPases的激活,从而引起系膜细胞的增殖和系膜基质(ECM)的累积,导致肾脏的纤维化,而通过对该通路的选择性干预可延缓DN的进展,为DN提供新的治疗措施。

(七)S1P与疼痛

研究发现S1PR1在疼痛中发挥重要作用,但激活S1PR1是产生致痛作用还是镇痛作用尚存在争议。

(八)S1P与肾脏疾病

研究发现S1P1在正常肾脏组织中表达,多种肾脏疾病时S1P1表达下调,提示S1P1可能参与肾脏疾病的发生。

(九)S1P与肿瘤

研究表明,SPHK、S1P及S1PR的异常与白血病、乳腺癌、结肠癌、淋巴瘤、胃癌等的发生发展密切相关,S1PR1与信号转导及转录激活子3(STAT3)的相互作用也参与了恶性肿瘤的发生,因而具有潜在的肿瘤治疗价值。S1PR1-STAT3的相互作用与恶性肿瘤的发生发展密切相关,S1P降解酶的减少也可能参与了恶性肿瘤的发病。根据不同肿瘤类型,特异性拮抗SPHK、S1P及STAT3,阻断或激活S1PR,则能抑制多种肿瘤的形成、增殖、转移及耐药性的产生,为恶性肿瘤的治疗提供新的靶点。目前对SPHK-S1P-S1PR信号通路在肿瘤发生、发展中的作用尚不完全清楚,还有待进一步研究。

远处转移是癌症治疗的主要障碍之一。S1PR1在恶性肿瘤中过度表达,通过激活下游信号通路增强细胞侵袭和迁移活性、调控上皮间质转化(EMT)以及诱导淋巴管与血管生成,最终导致肿瘤转移的发生。S1PR1作为一种促癌基因,在多种癌症中高表达,通过活化多种下游信号分子、传导通路,参与肿瘤转移和放射抵抗形成过程。下调S1PR1表达能够有效阻断细胞远处转移以及减弱或逆转放疗抵抗。S1PR1作为生物标志物判断疾病预后、下调S1PR1表达抑制肿瘤发展都具有十分广阔的应用前景。S1PR1有望成为癌症控制和治疗的重要靶点,为临床诊疗提供新思路。

四、与S1P相关的药物研发

S1P信号通路上,某些药物可以通过激动或抑制S1P受体从而改变S1P在不同疾病中的生理功能。S1P受体属于G蛋白偶联受体,有5个亚型,即S1PR1-5,其中S1PR1-3广泛表达于各种组织,S1PR4主要在淋巴系统和血液系统中表达,S1PR5主要在中枢神经系统中表达,而S1PR不同亚型的选择性或非选择性的调节剂已作为自身免疫疾病的治疗药物。

此外,鞘氨醇激酶(SPHK)S1P裂解酶(S1PL)是影响S1P发挥重要生理功能的关键酶,通过增加或减弱相应酶的活性调节S1P在不同细胞中的浓度,从而起到治疗不同疾病的作用。S1P在血液和淋巴液中的含量丰富,但是在组织液中的含量很低,这就形成了组织和血液淋巴液之间的S1P梯度,这种S1P梯度导致了T、B淋巴细胞、树突状细胞等的迁移。SPHK作为S1P生物合成中的关键酶,有SPHK1和SPHK2两个亚型,有大量报道显示前者与肿瘤相关,所以SPHK目前主要作为开发肿瘤化疗药物的新靶点。

(一)S1P受体调节剂

S1P受体调节剂是目前研发最多且很重要的炎症和免疫应答的调节剂,是自身免疫性病治疗的新靶点。S1P受体非选择性调节剂以FTY-720及其衍生物为代表,S1P受体选择性调节剂主要分为氨基醇类、氨基羧酸类和中性分子类(即极性头部不包括羧基和氨基等极性基团)三类。

S1P受体调节剂的研究始于FTY-720,是第一个被FDA批准的,由诺华公司研发的用于治疗多发性硬化症(MS)的一线口服药物,作用于除S1PR2以外的其他4种受体,其磷酸化产物FTY-720-P与S1P分子结构类似,可竞争性结合S1PR1,使受体发生内陷,抑制淋巴细胞自外周淋巴结及次级淋巴器官的外流,使外周淋巴细胞减少,发挥免疫抑制作用。FTY-720诱导淋巴细胞“归巢”的作用是可逆的,停药后淋巴细胞可恢复至正常水平,较少影响机体的正常免疫功能。目前FTY-720处于MS的Ⅲ期临床试验,对自身免疫病、同种异体移植反应、肿瘤等疾病均有治疗作用。

但随着FTY-720临床深入研究,发现FTY720的受体选择性不高,在激动S1PR1的同时也可激动S1PR3,引起心肌传导G蛋白的门控内向整流钾通道激活,从而导致临床出现心动过缓、房室传导阻滞等不良反应,极大程度地限制了其应用。这就需要研发选择性更强、不良反应更小的S1P受体调节剂。

通过对FTY-720疏水侧链的结构修饰,诺华公司又研发了BAF312,是S1PR1和S1PR5的双重激动剂,其对S1PR1和S1PR5的激动作用超过S1PR2-4的1000倍,并能显著而持久地诱导S1PR1内在化,由于对S1PR3激活较弱,因此心脏的不良反应较小,目前在进展型MS的Ⅲ期临床试验、多肌炎和复发缓解型多发性硬化症(RRMS)的Ⅱ期临床试验中。最近的研究发现,BAF312可以调节神经胶质细胞功能、减轻神经脱髓鞘,所以BAF312可治疗除MS外的神经脱髓鞘紊乱疾病。

FTY-720的另一个衍生物是KRP-203,具有较高的S1PR1选择性,对S1PR1的选择性是S1PR3的1000倍,并未观察到引起心动过缓的不良反应,现已在溃疡性结肠炎(UC)和全身性红斑狼疮的Ⅱ期临床试验中,并有研究发现KRP-203可以显著延长同种异体移植胰岛的存活期,这为糖尿病的治疗带来了新的希望。

日本小野药品工业公司开发的ONO-4641是一种S1PR1和S1PR5高选择性的激动剂,用于MS的治疗,已进入Ⅱ期临床研究,但临床数据报道很少。

日本DaiichiSankyo公司研制的用于MS的药物CS-0777,对S1PR1具有很高的选择性,现已进入Ⅱ期临床试验,在小鼠的实验性自身免疫性脑脊髓炎模型中表现出对MS有较好的疗效。

瑞士Actelion生物制药公司通过高通量筛选技术研发出的ACT-128800(Ponesimod),是选择性的S1PR1调节剂,免疫抑制作用具有剂量依赖性。与FTY-720相比半衰期更短,免疫抑制作用的可逆性更高。Ⅱ期临床试验显示ACT-128800对牛皮癣有治疗作用,这个发现提示S1PR1的调节剂对自身免疫性病有疗效。目前在复发型MS的Ⅲ期临床中检测其安全性和有效性,同时宿主移植反应的Ⅱ期临床试验也在进行。具有良好的药效和药动学特性,在小鼠实验性自身免疫性脑脊髓炎模型中药效良好,并对大鼠胶原介导的关节炎模型有作用。目前在一系列自身免疫性疾病治疗的Ⅰ期临床中。

Gonzalez研究小组研发的化合物CYM5442是选择性S1PR1激动剂,与鞘氨醇结构类似,是一种真菌的代谢产物,最近研究发现CYM5442可能作为移植抗宿主病(GVHD)的潜在治疗药物,在不影响供体T细胞向靶器官渗入的前提下,可以显著降低GVHD器官中的巨噬细胞水平。

Recepto公司开发的RPC1063也是S1PR1的选择性激动剂,现在已进入RRMS和UC的Ⅱ期临床试验,并已在健康志愿者体内证明在治疗剂量下不会延长QT间期,也不会改变心率。

此外,还有一些正在临床前试验的S1PR选择性调节剂,如SEW2871是S1PR1的选择性激动剂,在小鼠的缺血再灌注损伤模型中可以减弱CD4+T细胞的炎症反应,从而减轻肾损伤。最近又在小鼠IL—/—模型中发现可以改善结肠炎症状,有望成为人类克罗恩病的治疗药物。ASP4058是一种结构新颖的S1PR1和S1PR5激动剂,在体外GTPγS结合实验中优先激动S1PR1和S1PR5,大鼠口服给药后可以减少外周淋巴细胞数,能抑制实验性自身免疫脑脊髓炎的发展,并能阻止复发缓解型脑脊髓炎的复发,与FTY-720相比安全性更高。这些都有望成为治疗人类自身免疫性疾病更安全有效的药物。

(二)SPHK调节剂

神经酰胺和鞘氨醇可以引起细胞的周期阻滞和促进细胞凋亡,而S1P主要促进细胞的存活,所以鞘氨醇与S1P之间的平衡决定细胞的命运。S1P由SPHK磷酸化鞘氨醇而来,所以调节SPHK也会引起S1P浓度的改变。大量数据说明SPHK与肿瘤相关,即SPHK已经成为肿瘤治疗的新靶点。SPHK有两个亚型,即SPHK1和SPHK2,虽然高度同源,但在表达、调控及亚细胞定位上差别很大,这也就说明其功能存在差异,SPHK1主要促进细胞的存活与增殖,SPHK2的功能相对比较复杂,所以对于SPHK1的研究更为深入,而SPHK的调节剂也主要是SPHK1的抑制剂。药理学模型中常用的SPHK1抑制剂主要为鞘氨醇类似物,如二羟基神经酰胺(DHS)和N,N-二甲基鞘氨醇(DMS),它们在多种肿瘤细胞中都显示出诱导肿瘤细胞凋亡的作用,但二者的选择性较差,除了抑制SPHK1的活性,还可以作用于PKC等其他激酶,从而产生肝毒性和红细胞溶血等不良反应。另一种鞘氨醇类似物的SPHK1抑制剂沙芬戈(safingol),作用于SPHK1、PKC和PI3K,在结肠癌中可引起自噬反应。此外,水溶性的鞘氨醇类似物SK1-Ⅰ是特异性的SPHK1抑制剂,对SPHK2、神经酰胺酶和其他蛋白激酶均无影响,可以诱导急性骨髓性白血病细胞凋亡,另有实验证实SK1-Ⅰ还可以延长颅内恶性胶质瘤异种细胞移植的裸鼠生存期。SPHK1抑制剂除了鞘氨醇类似物之外,通过人重组的SPHK1筛选出第一类非脂类的SPHK抑制剂,其中SKⅠ-Ⅱ通过降低SPHK1蛋白的表达而减少S1P的生成,对多种癌细胞具有细胞毒性且口服有效。有研究表明SKⅠ-Ⅱ在人胃癌细胞中可以逆转耐药性,并可以加强抗癌药物顺铂的抗癌活性,而与低剂量的DNA烷化剂替莫唑胺合用可以克服后者的耐药性并增强细胞毒性,更快地诱导恶性胶质瘤细胞凋亡,近期研究发现SKⅠ-Ⅱ除了抑制SPHK1之外,对SPHK2也有一定的抑制作用并且Ki值明显低于SPHK1。苯妥帝尔(phenoxodiol)是一种异黄酮的衍生物,通过改变NADH氧化酶的活性影响SPHK1的活性,目前正在进行顺铂和紫杉醇耐药卵巢癌的Ⅲ期临床试验。PF-543是一种吡咯烷醇类化合物,是目前报道的抑制作用最强的新型的选择性SPHK1抑制剂,可与鞘氨醇竞争性结合SPHK1的活性位点,能够有效地抑制人全血中SPHK1的活性,降低镰刀型红细胞数,无溶血不良反应,为镰刀型细胞疾病(SCD)的治疗带来了希望。

虽然SPHK1的抑制剂研究较多,但首先进入临床试验的是SPHK2抑制剂ABC294640,目前正在进行实体瘤患者的Ⅰ期临床试验。ABC294640对SPHK2具有较高的选择性,能够抑制乳腺癌、胰腺癌和肾癌细胞的增殖,在动物模型上有效且无全身毒性。有趣的是,ABC294640还可以与雌激素受体结合,具有抗雌激素的效应,所以在雌激素阳性乳腺癌治疗过程中,ABC294640通过对SPHK和雌激素的双重抑制产生更好疗效。最近又有研究发现,ABC294640在体内外实验中均可抑制结直肠癌细胞的生长,这为国内发病率较高的结直肠癌的治疗带来了新的希望。

K145是SPHK2的选择性抑制剂,人白血病U937细胞实验研究结果表明,K145可通过抑制SPHK2的活性而降低U937细胞中S1P的浓度,并促进U937细胞的凋亡;裸鼠腹腔注射或口服K145后可抑制U937制剂为肿瘤化疗药物的发展提供了新的靶点,也为肿瘤耐药提供了新的解决方案。

(三)S1P裂解酶调节剂

S1P在裂解酶的催化下生成磷脂酰乙醇胺和棕榈醛,是不可逆的降解反应。高浓度S1P可以介导S1P受体的内在化,在免疫系统中减少淋巴细胞向外迁移,从而起到免疫抑制效果。而S1P在组织—血液淋巴液之间的浓度梯度依赖于S1PL的活性。S1PL抑制剂可以抑制S1P的降解,产生免疫抑制效果,用于自身免疫性疾病的治疗。有研究发现食物和饮品中着色剂成分2-乙酰-4-四羟基丁基咪唑(THI)可诱导动物免疫系统的淋巴细胞减少。此外,S1PL的辅酶是吡哆醛磷酸盐(PLP),维生素B6的类似物4-脱氧吡哆醛(DOP)通过抑制PLP而降低S1PL的活性,从而提高S1P的水平,但由于影响其他酶的活性而不良反应较多。这些结果提示,可以从食品、天然产物中寻找先导物,也可通过抑制辅酶降低S1PL的活性,但需要提高特异性,降低对其他酶的影响。相信随着研究的深入开展,会开发出高效低毒的用于自身免疫性病治疗的S1PL抑制剂。

(四)S1P的清除剂

SPHK调节剂和S1P裂解酶调节剂都是作用于S1P的合成和分解过程,从而降低或提高不同疾病部位S1P的浓度,达到治疗疾病的目的。而S1P清除剂是直接作用于S1P,减少肿瘤、炎症、纤维化等疾病部位S1P的浓度而抑制其功能。最早发现的S1P清除剂是抗S1P的抗体,LT1009是鼠科单克隆抗体LT1002的人源化单抗,能够与S1P特异性结合,体外生物实验表明LT1009可以抑制S1P介导的血管生成反应,且对其他脂类无交叉作用,目前正在进行肿瘤和老年黄斑病变的Ⅰ期临床试验。

S1P清除的另一种方法是可溶性S1PL重组酶的应用,小鼠静脉注射原核生物的S1PL重组酶,可以降低血浆中的S1P水平。S1P清除剂的出现为肿瘤等疾病带来了新的希望,但用于临床则需要考虑过敏反应等问题。

五、展望

S1P是具有重要生理功能的活性脂质,具有生物学效应多样性,与自身免疫性疾病、肿瘤等多种疾病相关,S1P信号通路上的药物可通过调节S1P受体、调控S1P生成或降解酶从而起到治疗和缓解疾病的目的。目前上市的S1P受体调节剂主要是以FTY720为代表,但由于FTY720受体选择性不高,出现心动过缓等不良反应,从而限制其临床应用,新药研发者为了降低这些不良反应,通过结构修饰和优化,研发出受体选择性更高的多类化合物,目前已进入不同的临床试验阶段。此外,影响S1P浓度的SPHK调节剂、S1PL调节剂、S1P清除剂也日益引起关注,目前一些小分子化合物、抗体或重组酶正在进行临床前或临床试验研究。相信随着研究的不断深入,S1P通路调节剂将为自身免疫性疾病、肿瘤等相关疾病的治疗带来新的靶向和希望。

 

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