可溶性鸟苷酸环化酶及其刺激剂/激活剂与心血管疾病、 神经退行性疾病、慢性肾脏病
发布时间:2020-12-18 08:31:33 | 来源:【药物研发团队 2020-12-18】
常见的心血管疾病包括心力衰竭(急性心衰和慢性心衰)、心律失常(包括窦性心律失常、房性心律失常、交界性心律失常、室性心律失常以及传导阻滞等)、冠心病(包括心绞痛、心肌梗死)、高血压(包括原发性高血压与继发性高血压)、心肌病(包括扩张型心肌病、肥厚型心肌病、限制型心肌病以及心肌炎)、先天性心脏病、心瓣膜病(包括二尖瓣狭窄、关闭不全或者主动脉瓣狭窄、关闭不全等、心包炎和感染性心内膜炎、主动脉和周围血管病等。
神经退行性疾病是由神经元和(或)其髓鞘的丧失所致,随着时间的推移而恶化,出现功能障碍。神经退行性疾病可分为急性神经退行性疾病和慢性神经退行性疾病,前者主要包括脑缺血(CI)、脑损伤(BI)、癫痫;后者包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷顿病(HD)、肌萎缩性侧索硬化(ALS)、不同类型脊髓小脑共济失调(SCA)、Pick病等。
慢性肾脏病(CKD)是指各种原因引起的慢性肾脏结构和功能障碍(肾脏损害病史大于3个月),包括肾GFR正常和不正常的病理损伤、血液或尿液成分异常,及影像学检查异常,或不明原因GFR下降(<60ml/min·1.73m2)超过3个月,即为CKD。
引起慢性肾脏病的疾病包括各种原发的、继发的肾小球肾炎、肾小管损伤和肾血管的病变等。根据GFR可以将慢性肾脏病分为5期,早期发现和早期干预可以显著的降低CKD患者的并发症,明显的提高生存率,对于CKD的治疗,包括原发病的治疗,各种危险因素的处理以及延缓慢性肾功能不全的进展,当CKD患者进展至5期时,应及时进行肾脏替代治疗。
慢性肾病发病率高,现有疗法不能显著改善预后,且患者响应率低存在巨大的未被满足的临床治疗学需求。
随着对慢性肾病研究的不断深入,人们发现NO-sGC-cGMP信号传导的下调可导致严重的肾脏病理学病变,引发如CKD等的肾脏疾病。激活可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)与NO的协同作用,激活sGC产生二级信使分子cGMP,促进血管和平滑肌舒张,同时介导TGF-β等其他信号通路,发挥抗纤维化、缓解组织重构等作用,可能成为治疗肾脏疾病的有效方法。
可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)在体内是一种非常重要的信号转导酶,其活化后既可以激活NO-sGC-cGMP信号通路,又可以抑制TGF-β信号通路。cGMP是体内一种非常重要的第二信使,可以通过调节一些下游相关效应分子,如蛋白激酶G、cGMP依赖的磷酸二酯酶及cGMP门控离子通道,从而参与一系列的生理或病理反应,包括舒张血管、抑制血小板聚集,抑制细胞增殖等多种生理调节;TGF-β信号通路受到抑制后,可产生抑制组织纤维化与细胞增殖的生理作用。近年研究表明,通过直接激活sGC可治疗多种疾病,如慢性肾病。sGC激动剂作为一类新型药物,表现出了许多独特的优势。为了系统了解相关信息,整理了sGC激动剂的机制及其最新研究进展以及在慢性肾病治疗中的作用,旨在为sGC激动剂类药物的研发提供参考。
一、房颤
心房颤动(简称房颤)是最常见的持续性心律失常。随着年龄增长房颤的发生率不断增加,75岁以上人群可达10%。房颤时心房激动的频率达300~600次/分,心跳频率往往快而且不规则,有时候可达100~160次/分,不仅比正常人心跳快得多,而且绝对不整齐,心房失去有效的收缩功能。房颤患病率还与冠心病、高血压病和心力衰竭等疾病有密切关系。
房颤常见的病因包括高血压病、冠心病、心脏外科手术、瓣膜病、心力衰竭、心肌病、先天性心脏病、肺动脉栓塞、甲状腺功能亢进症等,与饮酒、精神紧张、水电解质紊乱、严重感染等有关;此外还可以合并有其他类型心律失常。
二、室颤
心室颤动(简称室颤)为心室肌快而微弱的收缩或不协调的快速乱颤,其结果是心脏无排血,心音和脉搏消失,心、脑等器官和周围组织血液灌注停止,阿-斯综合征发作和猝死。室颤是导致心源性猝死的严重心律失常,也是临终前循环衰竭的心律改变。临终前室颤一般难以逆转,突然意外地发生于无循环衰竭基础的原发性室颤,可呈短阵或持久发作,给药及时且治疗恰当的,有长期存活的可能。
室颤是引发心脏骤停猝死的常见因素之一。心室连续、迅速、均匀地发放兴奋每分钟在240次以上,称为心室扑动。假如心室发放的兴奋很迅速并且没有规律,就称为室颤。室颤的频率可在每分钟250-600次之间。
引起室颤的原因有心源性及非心源性两类。心源性室颤常见的原因为冠心病,尤其是急性心肌缺血;非心源性室颤的常见原因有麻醉和手术意外、严重电解质与酸碱平衡失调、触电、溺水及药物中毒或过敏等。
室颤的临床症状包括意识丧失、抽搐、呼吸停顿甚至死亡。听诊心音消失、脉搏触不到、血压亦无法测到。伴随急性心肌梗死发生的原发性心室颤动,愈后较佳,复发率与猝死率均很低。相反,不伴随急性心肌梗死发生的心室颤动,一年内复发率高达20%~30%。
三、肺动脉高压
肺动脉高压指肺动脉压力升高超过一定界值的一种血流动力学和病理生理状态,可导致右心衰竭,可以是一种独立的疾病,也可以是并发症,还可以是综合征。其血流动力学诊断标准为:海平面静息状态下,右心导管检测肺动脉平均压≥25mmHg。肺动脉高压是一种常见病、多发病,且致残率和病死率均很高,应引起人们的高度重视。
依据病理表现、血流动力学特征以及临床诊治策略将肺动脉高压分为动脉性肺动脉高压、左心疾病所致肺动脉高压、缺氧和/或肺部疾病引起的肺动脉高压、慢性血栓栓塞性肺动脉高压、多种机制和/或不明机制引起的肺动脉高压五大类。
肺动脉高压的症状是非特异的,早期可无症状,随病情进展可有如下表现:呼吸困难,疲劳、乏力、运动耐量减低,晕厥,心绞痛或胸痛,咯血,声音嘶哑,右心衰的症状某些类型肺动脉高压还会有原发病的症状。
四、肺静脉高压
肺静脉是人体内唯一的一个流着动脉血的静脉,肺静脉高压是当肺毛细血管—肺静脉压超过10mmHg(1.3kPa)时的状态。导致肺静脉高压的原因通常有肺静脉的阻塞,以及心血管疾病。患者会出现肺淤血、间质性肺水肿,以及肺泡性肺水肿的症状。
五、心衰
心力衰竭(简称心衰)是指由于心脏的收缩功能和(或)舒张功能发生障碍,不能将静脉回心血量充分排出心脏,导致静脉系统血液淤积,动脉系统血液灌注不足,从而引起心脏循环障碍症候群,此种障碍症候群集中表现为肺淤血、腔静脉淤血。心力衰竭并不是一个独立的疾病,而是心脏疾病发展的终末阶段。其中绝大多数的心力衰竭都是以左心衰竭开始的,即首先表现为肺循环淤血。
几乎所有的心血管疾病最终都会导致心力衰竭的发生,心肌梗死、心肌病、血流动力学负荷过重、炎症等任何原因引起的心肌损伤,均可造成心肌结构和功能的变化,最后导致心室泵血和(或)充盈功能低下。
在基础性心脏病的基础上,一些因素可诱发心力衰竭的发生。常见的心力衰竭诱因主要有感染、严重心律失常、心脏负荷加大、药物作用、不当活动及情绪等。
根据心力衰竭发生的缓急,临床可分为急性心力衰竭和慢性心力衰竭。根据心力衰竭发生的部位可分为左心、右心和全心衰竭。还有收缩性或舒张性心力衰竭之分。
六、阿尔茨海默病
阿尔茨海默病(AD)是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病。临床上以记忆障碍、失语、失用、失认、视空间技能损害、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征,病因迄今未明。65岁以前发病者,称早老性痴呆;65岁以后发病者称老年性痴呆。
该病可能是一组异质性疾病,在多种因素(包括生物和社会心理因素)的作用下才发病。从目前研究来看,该病的可能因素和假说多达30余种,如家族史、女性、头部外伤、低教育水平、甲状腺病、母育龄过高或过低、病毒感染等。
该病起病缓慢或隐匿,病人及家人常说不清何时起病。多见于70岁以上(男性平均73岁,女性为75岁)老人,少数病人在躯体疾病、骨折或精神受到刺激后症状迅速明朗化。女性较男性多(女∶男为3∶1)。主要表现为认知功能下降、精神症状和行为障碍、日常生活能力的逐渐下降。
七、慢性肾脏病
慢性肾脏病(CKD)是指各种原因引起的慢性肾脏结构和功能障碍(肾脏损害病史大于3个月),包括肾GFR正常和不正常的病理损伤、血液或尿液成分异常,及影像学检查异常,或不明原因GFR下降(<60ml/min·1.73m2)超过3个月,即为CKD。
引起慢性肾脏病的疾病包括各种原发的、继发的肾小球肾炎、肾小管损伤和肾血管的病变等。根据GFR可以将慢性肾脏病分为5期,早期发现和早期干预可以显著的降低CKD患者的并发症,明显的提高生存率,对于CKD的治疗,包括原发病的治疗,各种危险因素的处理以及延缓慢性肾功能不全的进展,当CKD患者进展至5期时,应及时进行肾脏替代治疗。
(一)分期
近年来,美国肾脏病基金会K/DOQI专家组对CKD的分期方法提出了新的分期方法,该分期方法以肾脏损伤程度、肾小球滤过率(GFR)、肾衰为指标,将CKD分为5期,将慢性肾脏病GFR≥90ml/min·1.73m2且伴有肾病的患者视为1期CKD,其目的是为了加强对早期CKD的认知和早期防治。
(二)病因及流行病学
CKD的病因主要有原发性肾小球肾炎、高血压肾小动脉硬化、糖尿病肾病、继发性肾小球肾炎、肾小管间质病变(慢性肾盂肾炎、慢性尿酸性肾病、梗阻性肾病、药物性肾病等)、缺血性肾病、遗传性肾病(多囊肾、遗传性肾炎)等。在发达国家,糖尿病肾病、高血压肾小动脉硬化已成为慢性肾脏病的主要原因;在我国,这两种疾病在各种病因中仍位居原发性肾小球肾炎之后,但近年也有明显增高趋势。据有关统计,美国成人(总数约2亿)CKD的患病率已高达11.3%。据我国部分报告,CKD的患病率约为10%。CKD的易患因素主要有:年龄(如老年)、CKD家族史(包括遗传性和非8遗传性肾病)、糖尿病、高血压、肥胖-代谢综合征、高蛋白饮食、高血脂症、高尿酸血症、自身免疫性疾病、泌尿系感染或全身感染、肝炎病毒(如乙型或丙型肝炎病毒)感染、泌尿系结石、尿道梗阻、泌尿系或全身肿瘤、应用肾毒性药物史、心血管病、贫血、吸烟、出生时低体重等。其他危险因素有环境污染、经济水平低、医保水平低、教育水平低等。
(三)临床表现
在CKD的不同阶段,其临床表现也各不相同。在CKD3期之前,病人可以无任何症状,或仅有乏力、腰酸、夜尿增多等轻度不适;少数病人可有食欲减退、代谢性酸中毒及轻度贫血。CKD3期以后,上述症状更趋明显,进入肾衰竭期以后则进一步加重,有时可出现高血压、心衰、严重高钾血症、酸碱平衡紊乱、消化道症状、贫血、矿物质骨代谢异常、甲状旁腺功能亢进和中枢神经系统障碍等,甚至会有生命危险。
(四)治疗
为了明确CKD不同阶段的防治目标,提出三级预防理念。所谓一级预防,又称初级预防,是指对已有的肾脏疾患或可能引起肾损害的疾患(如糖尿病、高血压病等)进行及时有效的治疗,防治慢性肾衰竭(CRF)的发生。二级预防,是指对已有轻、中度CRF的病人及时进行治疗,延缓、停止或逆转慢性肾衰竭的进展,防治尿毒症的发生。第三级预防,是指针对尿毒症病人及早采取治疗措施,防止尿毒症的某些严重并发症的发生,提高病人生存率和生活质量。
慢性肾功能不全进展的最终结果是终末期肾衰竭(ESRF),患者将不得不依赖肾替代治疗维持生命。尽管目前透析治疗有了长足的进步,但ESRF患者的死亡率仍然较高,生存质量较低。因此,对CKD患者的治疗包括延缓慢性肾功能不全进展的治疗和针对各种合并症的治疗。
八、可溶性鸟苷酸环化酶
可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)广泛存在于哺乳动物的细胞溶质内,在肺部的含量相对较高,是一氧化氮(NO)-sGC-环磷酸鸟苷(cGMP)信号通路中关键的信号转导酶,sGC在体内被激活后会催化GTP转化为cGMP。cGMP是一种重要的二级信使分子,通过激活其下游的多种效应分子,如磷酸二酯酶(PDE)、环核苷酸门控离子通道(CNG)和蛋白激酶G(PKG)等,进而引发下游一系列级联反应,在胃肠系统、血液循环系统和神经系统中发挥重要的生理功能,如促进血管和平滑肌舒张,抑制血小板凝聚、血管重塑、细胞凋亡和炎症发生以及参与神经传递等。一旦NO信号转导通路发生异常将会引发一系列的心血管疾病,如:肺动脉高压(PAI),心力衰竭(HE)等疾病。
近年来有研究显示,sGC介导的信号通路异常与慢性肾脏疾病(CKD)、系统性硬化病(SSc)等纤维化疾病的发生有着密切的关系。因此,sGC激动剂作为可以直接激活sGC的新型药物,越来越受到人们的关注。
sGC是一氧化氮(NO)-环鸟苷酸(cGMP)通路中关键的信号转导酶,其激动后催化三磷酸鸟苷生成cGMO。cGMP作为细胞内最重要的第二信使之一,通过调节下游元件蛋白激酶G、cGMP依赖的碳酸二酯酶及cGMP门控通道,参与心血管系统、神经系统、肾脏系统及免疫系统等多种生理调节。sGC作为一个重要的药物靶标,表现出了许多独特的优势,为这些疾病治疗药物的研发提供了一个新途径。
20世纪80年代,自从sGC在调节血管舒张、血小板凝集等心血管系统疾病中的关键作用以及一氧化氮(NO)-sGC-环鸟苷酸(cGMP)信号通路被证实以来,对于这一独特的细胞信号转导酶的生理学机制以及临床应用展开了广泛的研究。
(一)sGC生物学特征及功能
sGC是由一个较大的α亚基和一个较小的β亚基组成的异源二聚体蛋白,α亚基和β亚基又各有两个异构体α1、α2和β1、
β2。α1和β1亚基在哺乳动物(包括人、牛、大鼠、小鼠)的组织中广泛表达。α2亚基的分布不如前两者广泛,主要只分布于人胎盘、胎儿脑组织;α1与α2亚基在维持sGC酶的功能上作用相似,但在不同组织中其催化能力有所差异。尽管理论上至少有4种以上的异源二聚体,但仅有含β1亚基的异源二聚体具有催化活性,其中α1β1组成的异源二聚体分布最为广泛,且活性最强;而α1β2异源二聚体极少组织表达,α2β1、α2β2以及天然同源二聚体尚未被发现。
sGC具有3个结构域:催化域、中心域和调节域。催化域分别位于α1亚基C端的467~690残甚和β1亚基C端的414~619残基,作用是负责底物识别和sGC的催化活性;并且只有α1β1二聚状的催化结构域才能使GTP转化为cGMP;中心域可以具体分为PAS-like结构域和Helix结构域,其功能尚不清楚,不过突变实验和双分子荧光互补实证明这个区域与sGC二聚体的形成密切相关;调节域位于β1亚基N端的血红素辅基结构内,其中β1亚基的His105作为轴配位氨基酸共价结合血红素辅基的亚铁离子,当NO结合到sGC的血红素辅基时,亚铁离子与His105之间的共价键断裂而形成5个配位键的二价铁离子—亚硝酰基—血红素复合物,从而开启sGC的活性。当二价铁离子被氧化成三价铁离子时,血红素辅基便失活,NO则不能与血红素辅基结合,从而不能激活sGC。
(二)sGC活性调节
1、一氧化氮(NO)
一氧化氮(NO)广泛分布于生物体内的各个组织中。1980年,在人们惊讶的发现血管内皮松弛因子(EDRF)的化学本质极有可能就是仅仅由一个氮原子和一个氧原子组成的一氧化氮时,一氧化氮的重要生物学作用得到了人们的普遍关注。1992年,一氧化氮被Science杂志评为年度明星分子。每年都有超过4000多篇关于一氧化氮的论文发表。一氧化氮(NO)在体内由NO合酶水解L-精氨酸产生,NO专一性与sGCβ亚基卟啉结合激活sGC,导致cGMP浓度迅速提高,进而对cGMP相关的一系列信号通路发挥调节作用。体外实验发现,NO可以激活sGC活力达到基本活力的200倍左右。现行的依赖NO机理治疗心脑血管疾病药物(例如:硝酸甘油)很有效地挽救了许多病患的生命,但是释放在体内高浓度NO的副作用一直是此类药物面临的最大问题。因NO-cGMP信号转导系统的发现而获得1998年诺贝尔生理学奖的Murad于2001年指出:高浓度NO除了是sGC的激活剂外,在生物体内同样可以进攻糖类、酯类、核酸以及蛋白质,对机体造成自由基损伤。然而在没有无毒副作用的有效替代性药物的情况下,高浓度NO释放剂仍然是心血管疾病治疗与急救的首选药物。目前,NO释放剂有很多种,但是仍然没有一种能有效的替代硝酸甘油的药物。由于NO除了是sGc的激活剂外,还可以非选择性对机体造成自由基损伤,2005年Marleta等人尝试以一定碳链长度的亚硝基烷烃(NOR)作用于sGc,发现该化合物同样可以激活sGC。Favaloro等利用效应剂分子HNO(NO单电子还原态)成功实现了血管舒张的实验,这些实验为无毒副作用NO类药物的研发带来了希望。
2、一氧化碳(CO)
长期以来,人们一直认为一氧化碳(CO)是一种对生物体有害的物质,并不知道内源性CO存在于生物体内并具有重要而广泛的生物学功能。研究发现,CO是与一氧化氮(NO)相似的信使分子,在人体内广泛存在,它对呼吸系统、心血管系统、神经系统等均发挥调节作用。CO可以低倍数激活sGC,这种激活作用在别构调节分子YC-1的作用下可以达到与NO激活相似的水平。CO可以稳定结合于sGC。在人体内,内源性CO的产生至少可通过两条途径:一是脂质过氧化,但是由此产生的CO是否具有生理活性,是否对细胞功能进行调节仍然不清楚;另一条途径是被大家所确认的,即血红素在血红素氧合酶(HO)的作用下生成CO和胆绿素。CO可结合到其它一些酶分子的Fe-S中心及细胞质可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)的铁原子上而激活sGC,使其分解GTP,产生cGMP。cGMP作为细胞内第二信使发挥其对细胞生理功能的调节作用。大部分的CO产生于血红素氧合酶对血红素的降解(HO)。HO有两种存在形式,即HO-1和HO-2。HO-1存在于成熟红细胞内,在HO-1具有较高活性或氧化应激的生理条件下,CO信号途径将被开启。而HO-2发现的时间较晚,有两条途径可激活HO-2:一条途径是蛋白激酶激活CK2,CK2再与HO-2的磷酸基团作用进而激活HO-2;另一条途径是钙一钙调蛋白复合物可以激活HO-2。这两条激活途径的阐明,证实了CO是继NO之后的第二种气体神经递质。有实验表明,HO和sGC在空间上处于接近的位置,提示CO在体内与sGC活性调节可能密切相关。
3、ODQ
ODQ[1H-[1,2,4]Oxadiazole[4,3-a]quinoxalin-1-one]是sGC有效的选择性抑制剂,是迄今所知cGC通路的最具特异性的药物之一,它不影响NO的产生及活性,该化学小分子是研究sGC激活机理非常有效的探针分子。特别在研究sGC在体内的功能时,,ODQ常常被用作sGC-cGMP通路的阻断剂。ODQ与sGC作用是通过使血红素的二价铁离子氧化为三价铁离子而完成的。ODQ的氧化作用并不影响sGC的基础酶活性,但降低NO对sGC的激活作用。共振Raman光谱显示,ODQ氧化β1(1-385)无中间产物产生,无O2时也能氧化β1(1-385),这表明ODQ对sGC氧化机制不是由于增加sGC和O2的亲和力,而是由于ODQ夺走了sGC二价铁离子的一个电子从而导致了三价铁离子-sGC的形成。
尽管国内外的生物学、药学等领域的课题组都在尝试着寻找能够有效调节sGC活性,从而调节体内cGMP相关的生理过程的化学小分子药物。但目前却并没有一种有效并且无毒副作用的sGC的活性调节剂被发现。
这种情况下sGC的活性调节机理的研究显得尤为重要。只有阐明sGC的活性调节机理,才有可能从根本出发去合理设计和发现新的、有效的活性调节分子。目前关于NO/CO激活sGC的作用机理研究已经取得了一些进展。
4、sGC活性调节机理
在没有晶体结构的情况下,突变酶分子内特定氨基酸然后检测分子的结构信息包括折叠、活性、光谱学性质的变化,一直是研究sGC的一个主要手段。1994年Koesling等通过研究证明β亚基His105是sGC对NO敏感的关键,并且结合细胞色素C的结构提出His-Heme的模型。目前这个模型已经被大量的实验数据所证实。NO结合于sGC的血红素辅基会导致五配位sGC的形成,而此时Fe-His105的配位键发生了断裂,研究表明His105与卟啉配位键的断裂和sGC的激活有着很大的关系。NO的结合使得His105与卟啉配位键断裂,可能导致了sGC结构被释放到一个适于催化的构象,从而急剧提高酶活力。研究中,Murad等将His105突变为半胱氨酸,该突变导致酶与卟啉配体结合不牢固,造成卟啉配体丢失,酶活力有所提高,并且不含金属的卟啉也可以在一定程度上激活sGC。这些结果都说明组氨酸105与卟啉辅基配位键的断裂是sGC激活过程的一个重要的因素。由于NO/CO调节sGC活性都是通过结合到其HNOX结构域的卟啉辅基上,而且卟啉分子的结构与成键状态可以在电子吸收和振动光谱上得到体现,所以光谱学方法是研究sGC活性调节机理很有效的方法。
就NO与卟啉基团作用而言,一种相对被人们接受的模式是:NO结合于sGC的原卟啉基团,在没有外来配体结合的情况下,卟啉基团的最大吸收在431nm,铁啉以高自旋五配位的形式存在,以β亚基H105为轴向配本;与NO结合后,卟啉基团的最大吸收蓝移到399nm,共振Raman光振动位移在521cm-1;1999年,Marletta课题组利用快速紫外可见光谱发现了NO作用于sGC的过程还存在一个卟啉基团最大吸收在399nm与431nm之间的中间态420nm状态,即六配位形式。Lawson等以细胞色素C'为模型结合晶体数据以及光谱学数据提出了NO可以结合于卟啉轴向两端的假设。2004年,Koseling等在Lawson的工作基础上,就NO与sGC的作用做了进一步研究,提出
sGC的可能存在形式:一是还原态sGC,卟啉基团最大吸收在431nm,五配位形式存在;二是低浓度NO作用于sGC时,卟啉基团最大吸收420nm,以His-Heme-NO六配位形式存在,当这种状态向399nm形式转变时,可能存在着NO-Heme-NO形式的过渡态;三是六配位的状态,在进一步的NO/YC-1的参与下会转变为卟啉基团最大吸收为399nm的最终状态,该状态下可能存在着几种用紫外吸收光谱不能区分的结构状态。这几种状态究竟哪种是活性形式,它们之间是如何转变的,依据现有的实验证据很难给出确切答案。与NO不同,CO可以稳定的结合于sGC的卟啉辅基并形成稳定的六配位构象,在这种情况下,CO只能低水平的激活sGC。如果在CO激活的同时引入YC-1分子,CO的激活作用明显提升。有趣的是,有研究报道表明CO激活sGC的过程也存在着六配位向五配位的转换,这意味着配位键FeHis的断裂无论是在NO的激活过程,还是CO的激活过程中都是激活作用引发的关键因素。
(三)NO-sGC-cGMP信号通路
内皮或上皮组织细胞产生NO(半衰期仅数秒)经自由扩散的方式迅速穿过细胞膜进入邻近的平滑肌细胞,通过与sGC结合形成复合物,从而激活sGC;被激活的sGC通过其C端催化域的作用催化GTP生成cGMP;cGMP作为第二信使可激活蛋白激酶、改变中枢神经系统(CNS)的电导系数、调节前列腺素(PDE)活性,从而调节心血管系统、消化系统、CNS等生理过程。另外,PDE-5抑制剂可通过阻止cGMP的降解从而间接地提高胞内cGMP的水平。该通路在调节人体正常生理功能过程中发挥着重要作用,一旦通路受阻,将会导致多种疾病。研究表明,NO的生物利用度降低或代谢出现紊乱与心血管系统疾病相关,如心力衰竭、高血压和PAH。在真核生物中,NO是由一氧化氮合酶(NOS)催化L精氨酸产生的,NOS基因的遗传变异与内皮功能障碍、高胰岛素血症、动脉粥样硬化及糖尿病有关。NOS活性受损与葡萄糖耐受、胰岛素抵抗和非酒精性脂肪性肝病有关。此外,sGC编码基因的遗传变异与系统性高血压和原发性开角型青光眼也具有相关性。编码sGCα1亚基的GUCY1A1纯合突变的患者会出贲门失弛缓症。调节GUCY1A1启动子发生突变会出现冠状动脉疾病。总之,受损的NO-sGC-cGMP言号转导与多种疾病相关联,而sGC激动剂充当该言号转导途径的直接激动剂,可用于治疗与血管功能障碍、炎症、纤维化或代谢失调相关的疾病。
(四)sGC与相关疾病
1、sGC与肺动脉高压
肺动脉高压(PAH)是一种发病机制复杂,由肺血管内皮细胞与平滑肌细胞功能失调引发肺血管阻力及肺动脉压力进行性升高,最终导致右心衰竭直至死亡的一种罕见疾病,严重威胁着人类的生活与健康。PAH的诱发因素很多,研究显示,在PAH的发病机制中,NO-sGC-cGMP信号通路的表达受到了损害。所以,可以通过激活体内的No-sGC-cGMP信号转导通路,升高cGMP水平,从而治疗PAH与心力衰竭等心血管疾病。
尽管心血管疾病的治疗已经取得了重大进展,包括临床上已采用的治疗药物有机硝酸盐或者其他NO供体药物,它们可以通过自发降解或者生物转化释放NO,从而激活sGC。但是,由于这些药物作用时间短,会产生耐药性,以及NO会与许多生物分子发生非特异性的相互作用,都使得吸入NO及服用NO供体药物不适合作为治疗PAH的长期疗法。磷酸二酯酶-5(PDE-5)抑制剂可以增强内源性NO的作用,通过抑制cGMP的降解来提高体内的cGMP水平。可是,PDE-5抑制剂对很多PAH患者的治疗并没有起到疗效。这主要是因为这些患者体内的内源性NO的水平太低,以致于PDE-5抑制剂已经不能将cGMP升高到有效水平。所以,对于患者来说,直接激活sGc的sGC激动剂药物疗法具有很好的应用前景。
2、sGC与纤维化疾病
慢性肾脏疾病是由于细胞外基质的过度积累,最终导致肾纤维化的一种疾病,也是一种世界性的医学难题,影响着全球10%~15%的成年人。很多研究已经显示,通过直接激活sGC可以对多种心血管疾病起到治疗作用,同时还具有抑制肾组织重构和保护器官功能的作用。故sGC激动剂类药物可以通过激活sGC发挥相应的生理效应,从而在临床上治疗慢性肾脏疾病。
系统性硬化病(SSc)是由于微血管功能紊乱引起的自身免疫与皮肤胶原蛋白的沉积导致皮肤增厚和纤维化的一类疾病。纤维化与血管病变是SSc的主要病变特征,影响着多个器官的功能表达,并且也是导致患者高发病率与病死率的主要原因。研究人员先前想通过寻找抗纤维化的药物来治疗SSc,但是到目前为止还没有类似药物进入临床研究。近年来,拜耳公司的科研人员发现sGC激动剂激活sGC后,可通过阻断非经典的TGF-β信号通路,抑制成纤维细胞的增殖,从而治疗SSc。
九、可溶性鸟苷酸环化酶刺激剂/激活剂
1996年,Furchgott、Ignarro和Murad因发现一氧化氮(NO)作为"内皮源性舒张因子",从内皮细胞释放后,通过激活可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)增加环鸟苷酸cGMP的水平,诱导血管平滑肌松弛这项关键性研究成果而获得诺贝尔生理医学奖。目前,NO-sGC-cGMP信号通路被广泛认为是治疗心血管疾病,包括心力衰竭、高血压和肺动脉高压(PAH)的重要靶标。现有的NO供体受限于硝酸盐,存在作用时间短、易形成耐受性、与超氧化物反应形成过氧亚硝酸盐、加剧机体氧化应激反应及特异性差等缺点,而sGc激动剂因其独特的作用模式逐渐被广大学者所关注,它可不依赖于NO而直接激活sGC,同时还可与NO产生协同作用。目前sGC激动剂的新药研发取得很大进展,许多化合物已开始进入临床试验阶段。
体内的sGC存在还原型和氧化型两种形式。还原型sGC,其血红素辅基中含有二价亚铁。氧化型sGC所结合的辅基为三价铁血红素。其中,还原型sGC是sGC的活化形式,是确保sGC能接受NO刺激的唯一形式;若将血红素辅基移除,NO将不能激活sGC;采用sGC抑制剂,如1H-[1,2,4]嗯二唑[4,3-a]喹喔啉-1-酮(ODQ)等将sGC氧化后会导致酶对NO的刺激不敏感;在氧化性应激条件下,一些活性氧氮化合物(如过氧化物、过氧亚硝酸盐等)会诱导sGC氧化还原态的改变。
根据开启sGC的活性是否需要活性血红素辅基,非NO依赖的sGC激动剂主要可分为非NO依赖的sGC刺激剂和非NO依赖的sGC激活剂两大类。
sGC刺激剂一方面可在NO水平极低甚至缺乏的条件下直接激活还原型sGC,另一方面还可增强sGC对NO的敏感度;sGC激活剂则可直接作用于血红素缺失的sGC或氧化型sGC;两者的共同特点是对sGC的激活都不依赖于NO。
(一)非NO依赖的sGC刺激剂
非NO依赖的sGC刺激剂的发现源于NO供体药物或者吸入NO在治疗心血管疾病中的局限性。在参与心血管系统疾病的NO-sGC-cGMP信号通路中,科学家发现一类苄基吲唑类化合物能够不依赖NO,直接激活sGC-cGMP信号通路。与内源性NO供体化合物不同,非NO依赖的sGC刺激剂可以不依赖于NO而依赖含二价铁离子的血红素辅基直接激活sGC,同时也可通过增强sGC对NO的敏感度而与NO产生协同作用。
目前,非NO依赖的sGC刺激剂主要有吡唑并吡啶类、吡唑-嘧啶类和芳基-丙烯酰胺类三大类。
1、吡唑并吡啶类非NO依赖的sGC刺激剂
1994年,拜耳医药保健公司的科学家们通过高通量筛选,发现了一种可以诱导NO合成增加从而激活sGC的化合物。sGC激动剂具有双重作用机制,既可以不依赖于NO,但需要依赖含有二价铁离子的血红素辅基直接激活sGC-cGMP信号通路;也可以增强sGC对内源性NO的敏感性从而与NO产生协同作用。
当时,台湾国立大学的研究者们发现了一个苯并吡唑类化合物YC-1。自YC-1发现之后,科研人员以它为先导化合物,进行了大量的构效关系研究,合成了很多活性更高的化合物,包括用于PAH的药物利奥西呱(riociguat)、维利西呱(vericiguat)。。
(1)YC-1
YC-1的母核为苯并吡唑环,化学名是3-(5羟甲基-2-呋喃)-1-苯甲基吲唑。这个化合物早在1978年就已被合成,但是直到1994年科学家们才发现这个化合物具有通过刺激cGMP的合成而抑制血小板聚集的作用。由于其活性较好,YC-1随后成为了非NO依赖、血红素依赖型sGC激动剂的代表药物。在100umol/L浓度下,它可以使离体sGC的活性增加30~40倍,并且与NO供体化合物会产生很强的协同作用,但是当sGC上的血红素辅基被氧化或被移除后,YC-1对sGC将不再具有激活作用。YC-1在很多药理学实验中都显示了很好的作用。但是,它对sGC的激活作用相对较弱,药代动力学性质较差,选择性不高,对磷酸二酯酶具有抑制作用,而且还有许多非cGMP依赖的调节作用。
近年来对YC-1的研究主要集中在它的抗肿瘤与抗肝纤维化方面的作用。YC-1的抗肿瘤作用主要是通过抑制低氧诱导因子1(HIF-1)和血管内皮生长因子(VECE)发挥作用。HIF-1是介导细胞缺氧反应最关键的核转录因子,表达于多种人类恶性肿瘤中,在肿瘤的发展中扮演着重要角色,通过抑制HIF-1可治疗多种肿瘤,如:肝癌、肾癌、白血病、子宫肿瘤等。HIF-1位于VEGF启动子中,凡是抑制HIF-1的药物都会影响VEGF的表达。最新研究显示,以YC-1为先导化合物之一,经过科学的药物结构设计及一系列构效关系讨论,最终发现了一个活性较好的HIF-1抑制剂CLB-016(1)。
最新研究显示,YC-1类似物AC、MPa、POC,还具有抗肝纤维化的作用,可以通过调节肝星状细胞的细胞凋亡而控制肝脏的纤维化程度,但是具体作用机制目前还不清楚。
(2)CFM-571
CFM-571是以YC-1为先导化合物进行结构改造得到的。与YC-1相比,其作用的特异性得到了很大的提升,对磷酸二酯酶没有抑制作用,但刺激sGC活性(EC50=5.5umol/L)以及抑制血小板聚集的活性(IC50=2.8umol/L)均较弱;此外,药代动力学实验表明,CFM-571口服有效,但生物利用度较低,只有12%。
(3)BAY41-2272和BAY41-8543
以YC-1为先导化合物,拜耳公司进行了大量的构效关系研究实验。实验证明,母核结构1-(2-氟溴苄)吡唑并吡啶是对sGC激活作用所必需的,而嘧啶环部分可以有很大的变化空间。化合物BAY41-2272与BAY41-8543,它们在体内的作用方式与YC-1也很相似,但是对sGC的催化活性与选择性要比YC-1强很多,对血管的舒张作用也比YC-1高出两个数量级。在对山羊进行的急性肺动脉高压实验模型中,BAY41-2272和BAY41-8543可以通过催化产生cGMP,起到舒张血管作用,进而可以降低血压。可是,二者的代谢稳定性与口服生物利用度较低,BAY41-2272对细胞色素P450(CYP)同工酶有很强的抑制和诱导作用,BAY41-8543的药代动力学性质也不好,这些因素都限制了二者作为降压药的进一步研究开发。
①BAY41-2272
研究显示,BAY41-2272对sGC的激活作用明显得到改善,对肺动脉血管收缩的半数抑制浓度IC50为0.3umol/L(YC-1的IC50=10umol/L),在中国仓鼠卵巢细胞(CHO)中催化生成cGMP的最低有效浓度(MEC)为0.03umol/L(YC-1的MEC=10umol/L)。与YC-1相比,BAY41-2272对sGC的选择性非常高,而且对磷酸二酯酶也没有相关的抑制作用。近年来的研究显示,BAY41-2272作为sGC激动剂通过激活NO-sGC-cGMP信号通路,而发挥抑制血管重构与促进血管平滑肌舒张的作用,在慢性肾脏疾病方面疗效显著。另外,BAY41-2272还可以通过阻断非经典的TGF-β通路抑制纤维化的发展。有文献报道,BAY41-2272能通过激活宿主防御功能用于治疗自发性免疫缺陷病(PID),但是,具体的作用机制还不清楚。
②BAY41-8543
BAY41-8543对肺动脉血管收缩的半数抑制浓度更低(IC50=0.10umol/L)。在一个小鼠的完整胸部模型中,在适当血压条件下,BAY41-8543对体循环动脉的舒张作用强于对肺动脉的舒张作用,同时也可以增加血输出量;但在由凝血噁烷受体激动剂U46619引起的高血压模型中,给药BAY41-8543后,能显著降低肺动脉压力,且具有剂量依赖性,而且结果还显示是sGC激动剂对肺部和体循环血管壁有着类似的舒张作用。当然,BAY41-8543在抑制组织纤维化方面也同样有着一定的疗效。近年来的研究发现它在保护右心室功能与凝集棕色脂肪组织方面的活性具有很大的优势,同时也表明了sGC激动剂在治疗肺栓塞、肥胖症等疾病上具有着很大的潜在价值。
(4)BAY63-2521(利奥西呱)
通过对BAY41-2272和BAY41-8543代谢产物的研究发现,它们分别是在环丙基和吗啡啉等取代基部位发生氧化代谢反应。而且通过进一步的研究显示,嘧啶环上C5位上小的亲脂性基团(如BAY41-2272上的环丙基)如果被一些极性更大的基团(BAY41-8543)取代的话,化合物将不再对CYP同工酶产生抑制作用。后来,他们通过在嘧啶环的C5上引入其他极性更大,化学性质更稳定的基团,发现了化合物BAY63-2521(riociguat,利奥西呱)。研究显示,利奥西呱对CYP同工酶没有抑制作用,药代动力学性质更好,而且在不同物种中,口服生物有效利用度比较好。在体外实验中,利奥西呱激活sGC具有剂量依赖性,且具有典型的sGC激动剂的特性:当与NO供体药物联合用药时会产生很强的协同作用;严重依赖于sGC上还原型血红素铺基的存在。
对于自发性肺动脉高压的大鼠,口服利奥西呱后会引起长时间、剂量依赖性的血压降低。与有机硝酸盐相比,或者是当大鼠对硝酸盐产生耐药后,服用利奥西呱后产生的作用可以持续长达几周。
另外,还在由低氧和野百合碱诱导的大鼠肺动脉高压模型中,利奥西呱可以改善肺部血流动力学,也可以预防甚至逆转部分血管重构的症状,例如右心室肥大和肺小动脉肌化。由于作用强、特异性好、疗效高、安全性好等性质,使得利奥西呱成为第一个成功从动物实验转向临床实验的sGC激动剂。Riociguat(利奥西呱)于2013年10月8日获美国食品药品管理局(FDA)批准上市,之后于2014年1月17日获日本医药品医疗器械综合机构(PMDA)批准上市,于2014年3月27日获欧洲药物管理局(EMA)批准上市,用于治疗慢性血栓栓塞性肺动脉高压(CTEPH)和肺动脉高压(PAH)。
在对肺动脉高压患者进行的随机、双盲、安慰剂控制的III期临床实验中,利奥西呱对患者6min步行距离(6MWD)测试结果的改善具有统计学意义,并且与安慰剂组相比,利奥西呱治疗组的6MWD显著改善(结果较基线改善36m)。另外,利奥西呱治疗PAH后,肺部血流动力学、肺动脉高压的功能分级、临床恶化时间等方面都得到了改善。在肺动脉高压的并发症如左心衰竭、间质性肺病和慢性阻塞性肺病的临床试验中,利奥西呱也具有很好的治疗作用。另外,研究显示,利奥西呱可以通过激活sGC-cGMP信号通路发挥抑制纤维化的作用,并且在SSc的大鼠模型中具有较好的表达。
(5)维利西呱(vericiguat)
维利西呱(vericiguat)是口服剂型sGC激动剂,目前正处于治疗慢性心力衰竭的上市申请中。
仅在美国,每年就有超过100万名患者因心衰住院,其中超过80%患者为慢性心力衰竭。尽管慢性心力衰竭症状可在医院治疗后快速得到改善,但约5%患者在30天内需再次入院,30%患者可能在1年内死亡,未住院但需要通过门诊静脉注射利尿剂治疗的慢性心衰恶化患者,预后同样效果不佳。因此,迫切需要新的更有效的治疗方法。
研究表明,采用维利西呱0.01-100umo/L可使纯度鸟苷酸环化酶活化达1.7~57.6倍。该药几乎可以完全抑制sGC的活化,说明其对sGC具有强力选择性。在离体血管研究中,该药对离体的苯肾上腺素诱导兔隐动脉、主动脉环、犬股静脉环和U46619诱导猪冠状动脉环收缩
都具有舒张作用。大鼠Langendoff高体心脏研究表明,该药可减少冠脉灌注压,高浓度对心率、左心室收缩压、舒张压无影响。而3和10mg/kg可显著降低血压、抑制心肌肥厚、降低肾损伤和减少蛋白尿。此外,该药还可降低大鼠死亡率,对细胞色素P450(CYP)同工酶无明显作用。
在多中心、随机、双盲、安慰剂对照的II期SOCRATES-PRESERVED研究中评估了维利西呱的安全性和有效性。该研究以NT-ProBNP水平和左心房容积(LAV)作为考察指标来评估该药的安全性和有效性。临床研究表明,该药1次/日给药,对慢性心衰和LVEF降低的患者虽不能显著改善12周后NT-proBNP水平,但可降低NTproBNP水平、改善LVEF和降低不良反应事件,同时该药耐受性较好,具有很好的安全性。
2016年9月,开始招募维利西呱的国际多中心III期临床试验患者(VICTORIA),旨在比较该药在标准疗法基础上与安慰剂组对心血管死亡和心衰住院风险的影响。
2、吡唑-嘧啶类NO非依赖sGC刺激剂
2016年,美国Ironwood公司发现了一种新的吡唑-嘧啶类NO非依赖性sGC刺激剂IWP-0513。临床前研究中发现,其与血浆蛋白结合率>99%,口服生物利用度达96%,胃肠道吸收时间延长5.3h,具有清除率低、体积小、稳定性高的优点。
该药最大的价值在于能开发为一种能发光的亲和探针IWP-854,通过向该药添加二氮杂萘官能团和聚乙二醇接头构建化合物IWP-854。这对于探究sGC的功能、已有sGC刺激剂的药理作用、sGC刺激剂与sGC结合位点等药理学相关问题具有十分重要的价值。这些数据也将为未来针对各类疾病的sGC刺激剂分子的发现提供重要信息。以该药为先导化合物,研究人员通过对其化学结构进行优化,发现一些药理活性、药代性质更优的化合物,现处于临床试验的有普拉西呱(praliciquat,IW-1973)和奥林西呱(olinciguat,IW-1701)。还有结构未公开的IW-6463,在其临床前实验中表现出治疗CNS疾病的潜力。
(1)普拉西呱(praliciquat)
普拉西呱(praliciquat)是一种口服sGC刺激剂,目前正处于治疗射血分数保留的心衰(HFpEF)和糖尿病性肾病的II期临床试验中。前不久,美国FDA已授予该药治疗HFpEF的快速通道地位。
HFpEF至少占美国所有心力衰竭患者的一半,发病率高、5年死亡率为75%。临床前研究发现,在与内皮功能障碍和NO信号受损的DSS大鼠模型中,用普拉西呱治疗6周,大鼠的血浆NT-proBNP水平低于未治疗的对照组.。在心力衰竭的大鼠模型中,用其治疗8周,大鼠的NT-proBNP水平趋于正常;此外,与对照组相比,用其治疗的大鼠,其心脏结构和功能明显得到改善。在脂多糖诱导的炎症性急性小鼠模型中,在脂多糖静脉注射前1h经胃给药可降低促炎细胞因子白细胞介素6(IL-6)和肿瘤坏死因子α水平。根据其I期临床试验结果,确定了该药耐受性、最佳剂量范围和药理作用。在多中心、随机、双盲、安慰剂对照的II期CAPACITY-HFpEF研究(NCTO3254485)中,HFpEF患者(不低于45%射血分数)伴有或不伴有永久性或持续性心房颤动,通过对其运动能力峰值的测试来研究和评估该药的安全性和有效性,预计该药可改善患者运动能力受损和相关症状,并可能影响疾病进展。
糖尿病性肾病是一种高发病率和高死亡率疾病,是西方国家肾病终末期的主要原因。目前可用的疗法有透析和肾移植,尚无批准的药物疗法。临床前研究结果显示,普拉西呱可减弱高盐诱导的IL-6血清水平升高和肾纤维化标志物转化生长因子β和Collα
1的表达。与对照组相比,该药治疗组的大鼠尿液中蛋白量降低,肾组织病理损伤明显减轻,表明其具有肾保护作用。在该药正在进行的一项随机、双盲、安慰剂对照的II期临床试验(NCT0321791)中,通过测定其对患者肾功能、尿液中蛋白排泄量、空腹血糖等参数的影响来评估其安全性和耐受性,预期该药可改善肾血流量,并减轻肾炎症状和纤维化。
(2)奥林西呱(olincguat)
奥林西哑(olincguat)是第2种吡唑-嘧啶类口服sGC刺激剂,目前正处于治疗贲门失驰缓症和镰状细胞病(SCD)的II期临床试验中。前不久,美同FDA授予该药治疗镰状细胞病的孤儿药资格。
贲门失驰缓症是一种罕见的在吞咽障碍病症,临来表现为食管下括约肌(LES)松驰和丧失食管辖蠕动功能。LES张力受兴奋性神经元和抑制性神经元的调节,兴奋性神经元释放平滑肌收缩剂收饰剂(如乙酰胆械),导致平滑机收缩;抑制性神经元释放NO,导致平滑肌松驰。在贲门失驰缓症患者中,食管肌间神经丛内神经节细胞中抑制神经元数量的减少和N0信号传导的减少,导致吞咽期间兴奋性和抑制性神经元之间的不平衡,从而导致LES松驰受损。目前治疗通常为外科手术,尚无批准的药物疗法。遗传学研究表明,神经元NOS缺失与LES压力增加之间存在关联,而sGC中罕见的NO合酶功能性缺失和突变的患者会发生贲门失驰缓症,所以可用N0供体或PDE-5抑制剂调控NO-cGMP途径来降低贲门失她缓症患者的LES压力。在II期临床试验(NCTO2931565)研究中,将对LES综合松驰压力(>15mmHg)的成人受试者,采用高分辨率阻抗测压法记录受试者的食管功能状况,从而评估奥林西呱的安全性和耐受性。预期该药可改善食管蠕动不足的状况和增加LES张力。
镰状细胞病(SCD)是一种遗传性血液病,由血红蛋白中的常染色体隐性突变引起,导致脱氧血红蛋白的聚合和红细胞的镰状化。全球有约1300万患者,大多数分布在撒哈拉以南非洲地区,由于镰状细胞介导的小血管阻塞,患者出现与不可预测和复发的严重疼痛。目前用于预防与SCD相关的并发症(如血管炎症和血管闭塞性危象)的治疗包括输血、羟基脲或L-谷氨酰胺等治疗方法。该病的一个突出特征是NO不足,这是因为突变后的血红蛋白提高了与N0结合的亲和力,降低其可用性,而且镰状红细胞中精氨酸酶限制了精氨酸的生物利用度,精氨酸是NO合成的主要底物。临床前研究表明,cGMP扩增剂奥林西呱可改善大鼠和人源化SCD小鼠模型中的NO缺乏,并防止血管闭塞和器官损伤,还可阻止红细胞的镰状化。一项随机、双盲、安慰剂对照的II期临床试验(NCT03285178)正在进行,受试者在接受传统的羟基脲治疗的同时,附加给予不同剂量的奥林西呱,通过测定给药12周后受试者的健康状态来评估该药的安全性和耐受性。
(3)IW-6463
IW-6463是一种口服有效的中枢渗透性sGC刺激剂,结构尚未公开。其药理学活性正在认知功能障碍和缺陷的模型中进行评价。目前正尝试将其用于CNS疾病的治疗,有望成为阿尔茨海默病等的潜在新疗法。
3、芳基-丙烯酰胺类非NO依赖的sGC刺激剂
这类化合物主要包括A-350619及其类似物A-344905和A-778935,其结构上与YC-1(吲唑类结构)完全不同,激活sGC的方式不依赖于NO,需要亚铁血红素参与,可以与NO产生协同作用。有研究表明,它们结合sGC的位点可能与YC-1相同,因为当A-350619与YC-1联用时,YC-1并没有叠加增强A-350619对sGC的激活。A-350619激活纯化sGC的EC50值为30umol/L,体外研究也发现这类化合物有舒张海绵组织的作用8。目前A-350619也正在一些心血管疾病模型中进行药理学评价。
(二)非NO依赖的sGC激活剂
非NO依赖的sGC激活剂与非NO依赖的sGC刺激剂作用的不同点主要在于前者激活sGC既不需要NO的存在,也不需要sGC血红素辅基的存在。尽管完整的sGC是具有血红素辅基的,但在很多病理过程中,sGC的结构中血红素辅基被氧化或者被降解,NO或sGC刺激剂均不能激活缺损的sGC,无法开启sGC-cGMP信号通路,从而无法缓解疾病进程。而在这种情况下,sGC激活剂则可以通过结合到sGC血红素的口袋位置使sGC的空间构象发生转变而开启sGC的活性,同时也能保护无血红素的sGC不被蛋白酶体降解,从而达到改善受阻的sGC-cGMP信号通路起到治疗疾病的目的。
1、BAY58-2667
BAY58-2667是在25万个候选化合物中通过高通量筛选得到的,是第1个不依赖于NO和血红素辅基的sGC激活剂。其激活无血红素辅基或者血红素辅基被氧化的sGC的能力(EC50=10nmol/L)比激活有血红素辅基sGC的能力高2~3个数量级。药理作用与sGC刺激剂相似,离体和在体实验都表明,在心血管系统中,BAY58-2667能够抑制血小板聚集和舒张血管;静脉注射BAY58-2667能够长效且剂量依赖性降低麻醉大鼠的血压,在Langendorft大鼠离体心脏灌流实验中,BAY58-2667也可以降低冠状动脉灌注压。有研究表明,BAY58-2667能够抑制ET-1诱发乳鼠心肌细胞的肥大和心肌成纤维细胞的增殖。此外,在其他各种病理模型中也发现BAY58-2667能够改善疾病的进程。在大鼠慢性肾衰模型上,BAY58-2667治疗18周后,不仅降低肾衰大鼠血压,而且明显改善肾衰导致的大鼠左心室肥大,减缓肾衰进程。同样,在比格犬充血性心衰模型上,静脉注射BAY58-2667不仅剂量依赖性降低心脏前、后负荷,还增加心输出量和肾血流量,显著减缓心衰进程。临床II期试验的概念验证研究结果也证实了BAY58-2667在急性失代偿性心力衰竭(ADHF)患者中的有效性,能够降低患者心脏前、后负荷并且增加心输出量。
2、HMR-1766和S-3448
HMR-1766及其类似物S-3448属于苯甲酰胺类化合物。与BAY58-2667—样,HMR-1766和S-3448激活sGC也不需要功能型的血红素辅基,其激活牛肺提取的sGC的EC50值分别为0.51和0.68umol/L。在体外培养的大鼠血管平滑肌细胞,HMR-1766和S-3448能够增加其cGMP水平而发挥舒张血管的功能,同样HMR-1766也能够增加2型糖尿病患者血管组织中cGMP含量,在糖尿病大鼠模型中HMR-1766也能够显著减少血小板的增殖。在离体实验中S-3448能够舒张猪冠状动脉和大鼠胸主动脉,同样在麻醉的长白猪中,静脉给予3mg/kgHMR-1766也能够持续*降低体循环收缩压和舒张压;HMR-1766也能够逆转低氧导致小鼠肺动脉压的增加,并减轻其右心指数和肺血管重构。这些临床前实验结果都表明HMR-1766和S-3448具有很好的开发前景。HMR-1766正在进行针对周围动脉闭塞性疾病的临床试验。
此外,非NO依赖的sGC激活性代表药物西那西呱(cinaciguat)和阿他西呱(ataciguat)也处于II/III临床试验阶段。由拜尔公司开发的口服非NO依赖的sGC激活剂runcaciguat目前正在进行用于慢性肾脏疾病的II期临床试验。
由拜尔公司开发的另一款口服非NO依赖的sGC激活剂BAY1237592目前正在进行用于肺动脉高压的I期临床试验。
总之,sGC作为一个重要的药物靶标,表现出了许多独特的优势,为多种疾病治疗药物的研发提供了一个新途径。
十、讨论
随着NO-sGC-cGMP信号通路在神经系统等其他系统的重要作用逐渐被认识,sGC刺激剂和激活剂在多种疾病中的临床应用前景越来越广阔不仅在治疗心衰、PAH等心血管疾病中具有良好的效果,还在治疗一些罕见病领域也极具开发潜力,如糖尿病性肾病、HFpEF、贲门失弛缓症等。具有中枢渗透作用的sGC刺激剂1W-6463将开发用于治疗神经退行性疾病。此外,非NO依赖sCC激活剂代表药物西那西呱(cinaciguat)和阿他西呱(ataciguat)也处于后期临床研究阶段。在此类药物研发时,如能降低血管舒张的作用,从加强抑制血管重构方面着手,有望减轻此类不良反应,发现更理想的治疗药物。
近年来,sGC激活剂的抗纤维化作用越来越受到人们关注,为慢性肾脏疾病、纤维化疾病、肥胖症等疾病的治疗提供了方向。sGC刺激剂/激活剂这种新型作用机制的潜在价值将会不断被发现,展现出广阔的临床应用前景。总之,sGC作为一个重要的药物作用靶标,表现出了许多独特的优势,为多种疾病治疗药物的研发提供了一个新途径。
参考资料
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