3-PO

前言肿瘤细胞和免疫细胞的代谢特征是有氧糖酵解，因此可以通过靶向糖酵解的转运蛋白和关键酶来实现对癌症和糖尿病等多种疾病的治疗。  01  Warburg效应糖酵解与氧化磷酸化是细胞采用的两种主要代谢途径，由于糖酵解不依赖氧气，所以细胞在有氧气的正常情况下多采用氧化磷酸化来产生ATP，一般只有在缺氧或氧气含量较低时，细胞才会采用低效的糖酵解来满足能量需求。但肿瘤组织中存在着Warburg效应，即在有氧状态下，肿瘤细胞仍会优先选择糖酵解，而不是选择能够高效产能的氧化磷酸化来提供肿瘤细胞所需能量。（在一个世纪前，奥托·瓦伯格（Otto Warburg）观察线粒体呼吸链复合物IV时，发现体外肿瘤组织切片即使在氧气存在下也会使用大量葡萄糖产生乳酸，他将这种现象称为有氧糖酵解，后来也被人称作Warburg效应。）巨噬细胞和T细胞被发现在肿瘤微环境和过度炎症环境中，也存在Warburg效应。这些证据表明代谢重编程在包括肿瘤在内的免疫调节中发挥重要意义。 图1 糖酵解示意图  02  糖酵解异常与多种疾病相关2.1 糖尿病糖尿病患者的低胰岛素水平会导致高血糖，血液中的葡萄糖水平升高导致细胞无法正确吸收葡萄糖。肝细胞中的糖酵解控制着肝脏葡萄糖的产生，当葡萄糖在肝脏中产生过多而无法被身体分解时，就会进一步导致高血糖。2.2 遗传病由于代谢途径的重要性，糖酵解突变通常意味着细胞无法呼吸，从而导致细胞死亡。目前也发现了一些突变，例如丙酮酸激酶缺乏症，红细胞己糖激酶缺乏，葡萄糖-6-磷酸转移酶缺乏，磷酸果糖激酶缺乏等，都会导致慢性溶血性贫血。2.3 癌症恶性肿瘤细胞的糖酵解利用率远高于正常细胞。肿瘤起源时，有限的毛细血管通常会导致肿瘤细胞内缺氧，因此这些细胞依赖于糖酵解这种厌氧代谢过程。肿瘤细胞过度表达特定的糖酵解酶，从而导致更高的糖酵解速率。研究发现通过靶向转运蛋白和糖酵解的关键酶，可以实现对肿瘤，糖尿病等疾病的缓解和治疗，目前的糖酵解靶点主要集中在葡萄糖转运蛋白，钠-葡萄糖连接转运蛋白，己糖激酶，果糖-2，6-二磷酸酶3，丙酮酸激酶，3-磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶等，本文汇总了针对这些蛋白的药物上市及临床研究情况。  03  糖酵解靶点药物3.1 葡萄糖转运蛋白 (GLUT)GLUT是一类负责机体葡萄糖进出细胞的关键门控蛋白。在大部分肿瘤中，缺氧的肿瘤微环境诱导GLUT1的高表达，提高肿瘤细胞对葡萄糖的摄取能力。2014年清华大学医学院颜宁教授团队发表在《Nature》杂志上的工作首次解析了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构，初步揭示其工作机制以及相关疾病的致病机理，为人类攻克癌症、糖尿病等重大疾病做出重要作用。靶向GLUT的药物有7款进入临床研究(表1)，还有6款处于临床前研究阶段。GLUT靶点药物针对的适应症以糖尿病和肿瘤为主。表1 进入临床的GLUT靶点药物3.2 钠-葡萄糖连接转运蛋白 (SGLT)SGLT是人体中负责葡萄糖重吸收的重要转运蛋白，能够利用钠离子的电化学势进行葡萄糖的逆浓度梯度转运。在人体中的SGLT蛋白家族中，SGLT1和SGLT2两个蛋白对葡萄糖的吸收和稳态最为关键。2021年12月美国斯坦福大学冯亮课题组在Nature杂志首次报道了人源SGLT1结构，同期北京大学、北大-清华生命科学联合中心陈雷研究员团队首次报道了人源SGLT2-MAP17复合物与抑制剂恩格列净结合的结构。2022年10月陈雷研究组在Nature Communications杂志发表了人源SGLT1-MAP17复合物与抑制剂LX2761结合的结构。SGLT2靶点药物已有11款被批准上市，其中4款也已经进入中国市场。SGLT的抑制剂均是以天然产物根皮苷的结构为基础优化产生。SGLT1靶点药物中，美国药企Lexicon Pharmaceuticals研发的Sotagliflozin（索格列净）已经在美国申请上市，用于治疗1型糖尿病和心脏衰竭，其针对血栓形成的临床试验也在美国等15个国家进入了临床3期阶段。此外，还有国企通化东宝子公司的THDBH101在国内正在进行针对2型糖尿病的临床研究。 图2 SGLT靶点药物汇总3.3  己糖激酶(HK)HK是糖酵解过程中的第1个限速酶，使葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖。HK有四种亚型（HK1–4），I型、II型、III型为三种同工酶。HK1普遍表达，而HK2在胰岛素敏感的脂肪组织和肌肉中表达，并在许多癌细胞中过度表达。HK靶点药物针对的适应症，以糖尿病和肿瘤较多。HK抑制剂药物只有一款上市药物，2款进入临床2期，1款处于临床前阶段。其中德国Angelopharm公司开发的Lonidamine（氯尼达明，商品名Doridamina）在1986年作为抗肿瘤药在意大利上市，可用于各种肿瘤如乳腺癌、前列腺癌、肺癌及脑瘤等的治疗。多个机构研发的2-脱氧-D-葡萄糖均在美国开展关于癫痫发作和前列腺癌治疗的临床2期研究。巴西坎皮纳斯州立大学开发的WP-1122在巴西已经开展关于新型冠状病毒感染和成人呼吸窘迫综合征的临床2期研究。英国Istesso公司研发的IST-3目前还在临床前阶段，已被证明针对多发性硬化症有较好治疗效果。2022年10月厦门大学张杰教授研究组在Nature Metabolism杂志上发表的文献还指出HK2抑制剂氯尼达明可改善阿尔茨海默病（AD）小鼠认知功能障碍的作用。 图3 己糖激酶2缺乏可清除β-淀粉样蛋白3.4 葡萄糖激酶（glucokinase，GK）HK‐Ⅳ 又称为葡萄糖激酶（glucokinase，GK），属于HK家族的一种亚型，在肝和胰腺中发挥酶活性。GK抑制剂药物也只有一款上市药物，5款进入临床阶段。上海华领医药研发的华堂宁，又称为多格列艾汀，是首次在中国推出的2型糖尿病全球首创新药（2022年9月在国内上市）。美国药企辉瑞研发的PB-201在中国已经进行以2型糖尿病为适应症的临床3期研究。此外还有4个药物进行临床2期阶段，分别为美国药企礼来研发的盐酸亚格拉汀，日本药企Teijin研发的TMG-123，美国药企vTv Therapeutics研发的TTP-399和以色列药企Vidac Pharma研发的Tuvatexib。这些研究药物的适应症也大部分为糖尿病。 图4 已上市和处于临床阶段的GK靶点药物3.5 磷酸果糖激酶-2/果糖-2，6-二磷酸酶3（PFKFB3）PFKFB在内的双功能酶家族调控糖酵解过程中的第2个限速酶磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFK），PFKFB在许多癌症中过度表达，为癌症治疗提供了靶点。PFKFB3抑制剂有3个在研药物，包括一个1期临床（美国路易斯维尔大学的PFK-158，实体瘤）和两个临床前药物（美国路易斯维尔大学的3-PO，Gero Discovery的AZ-67，分别在胶质母细胞瘤和神经系统变性病中进行研究）。3.6 丙酮酸激酶（PK）PK是糖酵解过程中的第3个限速酶，存在四种亚型：PKL、PKR、PKM1和PKM2。PKM2在肿瘤细胞和肿瘤相关成纤维细胞中过表达。PK调节剂包括激动剂和抑制剂。多种肿瘤细胞高表达具有低活性的PKM2（二聚体），当通过激动剂将低活性的PKM2二聚体转变为高活性的四聚体后，有利于抑制糖酵解过程，阻断肿瘤细胞的增殖作用。目前已经有2款PK调节剂被批准上市，美国药企Agios的Mitapivat于2022年2月被美国FDA批准治疗溶血性贫血和红细胞丙酮酸激酶缺乏症，多年被用于非洲锥虫病的美拉胂醇。此外还有4个药物进入临床研发阶段（表2）。表2 进入临床研发阶段的PK药物3.7  3-磷酸甘油醛脱氢酶 (GAPDH)GAPDH是糖酵解中的关键酶，催化3-磷酸甘油醛脱氢氧化成为1,3-二磷酸甘油酸，并最终将能量转移给ADP生成ATP。GAPDH主要调节癌症、内吞作用、胞吐作用和细胞凋亡等过程。美国药企渤健的富马酸二甲酯（DMF）于2013年在美国首次上市，并于2021年4月被中国批准用于治疗多发性硬化症（目前已纳入国家医保目录），欧盟在2017年6月批准用于治疗斑块状银屑病。DMF一直被认为是Nrf2激动剂，最近发表在Science期刊上的研究表明DMF治疗多发性硬化症是通过抑制GAPDH发挥作用的。瑞士药企诺华公司开发的GAPDH和SIAH1抑制剂Omigapil针对帕金森病(PD)和肌萎缩侧索硬化症(ALS)的临床研究已经终止，但Santhera Pharmaceuticals 购买了该化合物用于开发临床1期研究治疗先天性肌营养不良症(CMD)。3.8 乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）LDH催化糖酵解过程中的最后一步，使乳酸和丙酮酸相互转化。LDH 直接受 c-myc 致癌基因调节，因此遗传或药理学抑制可以减少myc依赖性肿瘤。法国药企Biocodex SAS开发的司替戊醇于2007年1月在欧盟获批上市用于青少年肌阵挛性癫痫的治疗，目前已在10个国家和地区上市，适应症包括CDKL5缺乏症，癫痫发作和Dravet综合征。加拿大药企Chinook开发的CHK-336在美国开展治疗原发性高草酸尿症的临床1期研究。2022年12月西奈山伊坎医学院金坚教授团队发表在Journal of Medicinal Chemistry杂志上的文章报道了首例降解LDH的PROTAC分子MS6105。 图5 肿瘤中糖酵解引起的代谢重编程总 结随着对糖酵解与多种疾病关系的更多了解，目前研究已经充分证明通过调节糖酵解各个途径可以有效治疗肿瘤、糖尿病、溶血性贫血、癫痫等多种疾病。本文针对糖酵解转运蛋白和关键酶的调节剂药物的上市和临床研究情况进行了详细梳理，希望给从事糖酵解领域的研究人员提供思路。参考资料：1.智慧芽-全球新药情报库2.abcam官网3.vibaike官网4.北京大学新闻网5.Abdel-Wahab, Ali F et al. “Targeting glucose metabolism to suppress cancer progression: prospective of anti-glycolytic cancer therapy.” Pharmacological research vol. 150 (2019): 104511. doi:10.1016/j.phrs.2019.1045116.Kornberg, Michael D et al. “Dimethyl fumarate targets GAPDH and aerobic glycolysis to modulate immunity.” Science vol. 360,6387 (2018): 449-453. doi:10.1126/science.aan46657.Leng, L., Yuan, Z., Pan, R. et al. Microglial hexokinase 2 deficiency increases ATP generation through lipid metabolism leading to β-amyloid clearance. Nat Metab 4, 1287–1305 (2022). https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s42255-022-00643-48.Paul, Sumana et al. “Tumor glycolysis, an essential sweet tooth of tumor cells.” Seminars in cancer biology vol. 86,Pt 3 (2022): 1216-1230. doi:10.1016/j.semcancer.2022.09.0079.其他公开信息和资料