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COX-2 and COX-2 inhibitor, where are we? where do we go?

环氧化酶-2及其抑制剂,现在何处?又应走向何方



全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 1期
2008年 2月
Vol. 20, No. 1
Feb., 2008
文章编号 :1004-0374(2008)01-0076-05
环氧化酶 -2及其抑制剂,现在何处?又应走向何方?
罗 成1,2*,杨 叶3,赵勤实1*
(1中国科学院昆明植物研究所植物化学国家重点实验室,昆明 650204;2芬兰土尔库大学生物医学科学研究所;
3新加坡南洋理工大学生命科学院计算和结构生物学实验室)
摘 要:本文回顾环氧化酶 -2(COX-2)抑制剂的发展史和分析新的筛选方法:如平衡抑制剂对 COX-1/
COX-2的选择性,寻找双靶点或多靶点的抑制剂。在计算机辅助药物设计中结合更多的灵活的动力学
原理,在天然分子的基础上设计新的药物分子,辅以脂质体包裹剂型实现药物靶向投递,以图研究出
新一代更为安全的 COX-2 抑制剂来预防、控制癌症和其他疾病。
关键词:选择性环氧化酶 -2 抑制剂;非甾体抗炎药;细胞凋亡;毛细血管生成;分子对接;脂质体
中图分类号:Q554.6; R730.1; Q946  文献标识码:A
COX-2 and COX-2 inhibitor, where are we? where do we go?
LUO Cheng 1,2*, YANG Ye 3, ZHAO Qin-shi 1*
(1Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Science, Kunming 650204, China; 2Institute of Biomedicine,
University of Turku, Finland; 3School of Biological Science, Nanyang Technological University, Singapore)
Abstract: This review is to discuss the COX-2 inhibitor screening from cell based bioassay and computer-based
molecular docking technique towards more balanced inhibition of COX-1/COX-2, multiple-target inhibitors, and
alternative choice of delivery, especially liposome encapsulated nanoparticles, in order to exploit new genera-
tion of safer COX-2 inhibitors for prevention and medication of cancer and other diseases.
Key words: selective COX-2 inhibitor; NSAID; apoptosis; angeogenesis; molecular docking; liposome
1 COX-2和COX-1的结构与调控差异使之成为新
药靶点
环氧化酶( C O X )又称前列腺素( P G )合成酶
(PGHS),是前列腺素合成过程中一个主要的限速
酶。人体细胞内的花生四烯酸经过环氧化酶的作用
后产生数十种前列腺素。前列腺素E2 (PGE2)是其中
最为重要的通过受体(EP1-EP4)而行使功能的活跃终
端分子,基本上存在于人体的每一个部位。然而,
在1991年又一同工异构酶被发现,随后被命名为环
氧化酶 -2 (COX-2),而且很快发现 COX-1在大多
数细胞中是构成型,承担基本的生理功能;而
COX-2 则是诱导型,参与病理条件下的应急反应[1]。
COX-1 和 COX-2 基因具有不同的结构,COX-1 基因
位于 9q32— q33.3, 而COX-2基因位于 1q25。COX-2
含有 10个外显子和 9个内含子,外显子约 8.3kb,
其 mRNA 转录产物为 4.5kb。上游 5端非翻译区
长约 0.8kb,含有若干转录调控序列。COX-2基因
的转录、表达和调控也十分不同,调控主要在转录
水平,与COX-2启动子转录激活密切相关的多个转
录因子结合部位有 C/EBP、AP-2、SP1、NF-κB、
CRE、Ets-1、PEA-3和GATA-1。COX-2是由于
炎症因子,如脂多糖、肿瘤坏死因子 -α、白细胞
介素 -1、血小板源生长因子,以及其他生长因素诱
发不同的信号经 p38MAPK 传导系统的瀑布传递而
产生[2]。例如在各种急性和慢性炎症条件下,巨噬
收稿日期:2007-09-19
*通讯作者:E-mail: Luo58@yahoo.com, Qinshizhaosp
@yahoo.com
7 7第 1期 罗 成,等:环氧化酶 - 2 及其抑制剂,现在何处?又应走向何方?
细胞、单核细胞、上皮细胞、滑膜细胞及癌细胞
都呈 COX-2阳性。COX-2主要靠近核膜周围,但
高表达时也延伸到内质网,而COX-1则只分布在内
质网上[3 ,4 ]。
非甾体类抗炎药,如阿司匹林、布洛芬等是
常用的抑制 COX-1的解热镇痛药。而 COX-1是保
正胃黏膜运动的生理酶,长期或过量使用这类非甾
体类抗炎药,在抑制炎症缓解疼痛的同时,不可避
免地损伤和刺激消化道,引起胃出血和溃疡等不良
反应。COX-2的发现为制成既能抗炎止痛, 又没有
胃肠不良反应的药物提供了可能,因此COX-2迅速
成为药物靶点。1991年,Needleman 提出研究开
发选择性COX-2抑制剂的设想[5,6],随后许多大制药
公司都接受,并开始COX-2抑制剂的研究与商业化
生产。随着孟山都公司及瑞辉公司的先后投入,又
由于 COX-2是一个非膜蛋白, 因而在 1996年 COX-
2的高分辨率的大分子结构得以迅速完成,其结构
展示 C O X - 2 在酶活性中心有一个氨基酸不同于
COX-1, 在COX-2中的523位是一个分子较小的缬氨
酸,而 COX-1则是较大的异亮氨酸。这样 COX-2
在酶活性中心形成一个较COX-1大的口袋空穴,这
就是所有 COX-2选择性抑制药设计的基本依据[7]。
由于已知COX-2的高分辨率结构,利用分子对接等
计算机辅助设计技术方法能够设计出高选择性比率
的COX-2抑制剂。这也标志当时是正式进入药物设
计时代的开端,所以多数制药公司都有把选择性抑
制 COX-2的比率推高的趋势和能力。
1998年 12 月, 第一个根据蛋白质结构计算机辅
助设计的合成性 C O X - 2 选择性抑制剂药西乐葆
(Celecoxib) 在美国上市, 随后很快进入包括中国在内
的100多个国家。 当时西乐葆被看成为全球第一个突
破性COX-2抑制剂,用于缓解成人骨关节炎和类风
湿关节炎,以及家族性腺瘤息肉病 ( f a m i l i a l
adenomatous polyposis,FAP)的辅助治疗。在美国还
被批准可用于急性疼痛(如术后疼痛和原发性痛经)。
与传统非甾体类抗炎药(non steroid anti-inflammatory
drugs, NSAIDs)相比,西乐葆在胃肠道安全性方面的
确表现出更显著的优势, 被誉为“超级”阿斯匹林,
成为治疗中、重度关节炎疼痛和炎症的首选药。
1999年,西乐葆的年销售额已突破 20亿美元。随
后默克公司推出万络(Vioxx)和依托西布(Arcoxia), 诺
华公司推出 Prexige(lumiracoxib)。然而, 2004年默克
公司的腺瘤息肉预防APPROVe(adenomatous polyp
prevention on Vioxx) 临床试验,显示与万络服用有
关的心肌梗死和中风事件比对照组增加 2倍[8]。过
量的危险性,使该公司在 2004年 9月 30日不得不
撤回万络药物。针对与COX-2抑制剂相关的一系列
猝死事件,美国食品与药品局(F ood and Dr ug
Agency, FDA)的咨询小组重新评估了 COX-2抑制
剂,并得出一致结论,即整类 COX-2抑制剂都有
增加患心血管疾病的可能性, 不过也允许包括万络在
内的COX-2抑制剂保留在市场上,但必需有心血管
副作用警告的标签。这些事件都被电视传媒以重大
新闻在世界范围内播出。这样无疑使整个COX-2抑
制剂药的处方量大大下降。还值一提的是由于心血
管副作用的临床试验结果,2004年 12月 20日,美
国国立卫生研究院也不得不终止瑞辉公司西乐葆对
老年痴呆的临床试验。由此可见,被医药界寄予厚
望的COX-2抑制剂的确处于十分尴尬的境地,而且
COX-2抑制剂的争议远未因 2004的退市风波而终
止[9]。 2007年 4月 27日,默克公司收到 FDA 拒绝
允许依托考昔(etoricoxib)进入美国市场的书面批文。
然而,依托考昔目前在 63个国家获得出售许可证,
所以默克公司将继续在美国以外的市场销售。默克
公司还坚称依托考昔高度安全,将继续申请美国许
可证。不过多数同行认为该药与其第一“堂兄”罗
非昔布(Rofecoxib)没有什么不同,仍有心血管疾病
的风险。除了心血管副作用, 2007年,诺华公司的
COX-2抑制剂Lumiracoxib 在澳大利亚发生8例肝中
毒, 也使 Lumiracoxib不得不退出澳大利亚市场[10]。
2 合成COX-2选择性抑制剂的心血管副作用
在 1999— 2000间的VIGOR(Vioxx gastrointes-
tinal outcome research)[11] 和 CLASS (Celecoxib long-
term arthritis safety study)[12] 临床试验表明,选择性
COX-2抑制剂的确使胃肠道副作用明显下降,但实
际上与传统的 NSAID相比,心血管副作用已经显
露。随着更深入的 COX-2研究,发现 COX-2并不
仅仅只是一个简单的“肇事者”。实际上 COX-2
组成型表达于多种器官或上皮细胞中。在输精管中
COX-2在近端的表达是零,但逐步上升,到远端
为最高。COX-2在中端可被 PCR(polymerase chain
reacion) 检出,到远端 COX-2的含量已是中端的
COX-2含量的数百倍[13],而且COX-2基本上可终身
保持如此的高表达。如果 COX-2有损伤时(比如婴
儿期受雌激素影响)COX-1 也可以补充,这就是为
什么男性生殖功能可以无限延长的主要原因之一。
7 8 生命科学 第 20卷
与男性对应的卵巢的卵泡COX-2也同样呈超高量的
组成型表达。当然更为重要的是 COX-2 在血管内
皮细胞的动脉、小动脉、肺和大脑皮质、胰脏 β -
细胞都有组成型中低量表达。通过研究COX-2基因
敲除小鼠,除导致生殖功能完全丧失外,还降低肾
素表达。这与COX-2抑制剂的动物试验降低血压的
结果一致[14], 因肾素能使血管紧张素原转化为血管
紧张素,调节盐代谢及心血管活动。然而由于
COX-2在肾小球肾皮质是组成型表达,但COX-2在
一定程度上不仅仅影响肾素表达,也影响神经系
统,比如 COX-2表达在大脑皮质神经元、神经胶
质细胞。所以早在 19世纪 90 年代初英国 Vane爵
士等[15]就预测 COX-2抑制剂可能会导致 5%不良的
病理反应。
关于合成性COX-2抑制剂的心血管副作用,还
有一最简单的理解是在某些人群心血管内 PGI2 血管
舒张剂可能是由 COX-2产生的,而不是 COX-1。
COX-2一但被抑制掉,PGI2 减少,就将大大增加
心血管堵塞的可能性。当然这一假说目前尚无实验
证明。事实上,在 20世纪 70— 80年代阿司匹林
就已经证明具有保护心血管的功能,因为阿斯匹林
选择性地使血小板及血管内壁的COX-1活性中心的
丝氨酸乙酰化,导致环氧化酶不可逆的失活。阿司
匹林通过抑制 COX-1,减少血小板中血栓烷 A2
(TXA2) 的生成,从而抑制血小板聚集,抑制血栓
形成。当然在大剂量时,阿司匹林也能抑制血管壁
中由COX-1产生的扩血管素PGI2的合成,因而在大
剂量时反而促进血栓形成。COX-2抑制剂在上市之
前, 就被称为“超级”阿司匹林[16]。因为 COX-2
抑制剂都是竞争性可逆的, 可逆的抑制机理通常要较
之不可逆抑制剂更为安全[17],所以很少人考虑过它
会有心血管副作用。
事实上心肌炎、冠状动脉粥样硬化中无论内皮
细胞、缺血心肌细胞、平滑肌细胞和巨噬细胞都可
大量表达COX-2,一定量的COX-2抑制剂能降低炎
症反应。不过由肾水肿、衰竭心肌产生的COX-2往
往是一种保护作用。 由于前列腺素分子成对的相互
制约与调节,COX-2抑制剂的服用在特定人群中很
可能就是一把“双刃剑”[18]。阿司匹林对 COX-2
的抑制作用强度是对 COX-1抑制作用的 1/170,往
往大剂量才能抑制 90%以上的血栓烷A2,进而才能
抗血栓形成。所以从目前事实来看阿斯匹林实际上
比COX-2抑制剂更为安全。过去选择性COX-2抑制
剂的研究目标注重于pIC50(COX-1)/pIC50(COX-2)的
比值,以求得非常高的 COX-2选择性。COX-2的
过度抑制,以致影响了正常的生理调控。在COX-2
抑制剂的研究过程中,我们需要平衡抑制剂对于
COX-1/COX-2的选择性,以减少副作用的发生。
3 COX-2抑制剂的抗癌作用及天然COX-2抑制剂
的筛选
COX-2不仅仅表达于炎症,如幽门螺旋杆菌引
起的胃炎和不同的关节炎,而且也表达于几乎所有
的癌细胞中,但一般不见于非转移特性的良性肿
瘤,C O X - 2 表达只见于有转移特性的癌细胞。
COX-2还表达于近瘤的新生血管,促进新生血管生
成,但COX-2不是导致正常细胞转化为癌细胞的的
原因,C O X - 2 产物能使血管内皮细胞生长因子
(VEGF)表达上升,进而促进血管生成。COX-2抑
制剂除可下调前列腺素阻止肿瘤新生血管形成,从
而阻止毛细血管向癌细胞提供营养,使肿瘤萎缩。
COX-2 抑制剂也可下调基质金属蛋白酶(ma t r ix
metalloproteinases,MMP),降低细胞扩散。更为
重要的是大多数 COX-2抑制剂都能诱导细胞凋亡。
事实上所有生产COX-2抑制剂的制药公司都进行了
抗癌的临床试验,希望COX-2抑制剂能迅速成为抗
癌药物,而由于心血管的副作用又不得不终止其临
床试验。但事实上世界各国都在不同程度上使用现
有的 COX-2抑制剂作为某些晚期癌症的辅助药物,
虽然疗效不是很肯定,但因PGE2受体可把化学信号
传递给疼痛受体, 所以止痛作用勿容置疑。
由于心血管副作用使得合成性COX-2抑制剂不
能进入临床癌症化疗。近年从植物中发现的植物病
原氧化酶与人体COX-2 有极高的同源性,植物在受
到病原体 (病毒、细菌、真菌)的攻击时, 其分子的
防御和应激方式与哺乳动物相似[19]。所以,寻找天
然衍生的COX-2抑制剂变得十分紧迫。实际上只经
初步纯化的天然COX-2抑制剂已经广泛用作癌症化
疗中的辅助药物。 如从车前草来的乌果酸初提取物
占据美国很大市场。在传统中药及民族民间药物
中,有大量的药物用于抗菌、消炎。因此,从天
然植物中寻找COX-2抑制剂及其他药物具有很大潜
力 [ 2 0 ]。
4 计算机辅助设计仍然是新型止痛抗癌COX-2抑
制剂的筛选方法之一
西乐葆和格乐威克(Gleevec,白血病药)是世界
上最先两种使用蛋白质X-射线衍射晶体结构,通过
7 9第 1期 罗 成,等:环氧化酶 - 2 及其抑制剂,现在何处?又应走向何方?
计算机辅助设计的药物。随着大量高分辨率的蛋白
质结构的完成,计算方法被广泛地运用在药物设
计,分子对接就是众多计算方法中一个较为成熟的
方法[21]。通过小分子与受体或酶的对接进行模拟仿
真,如果受体与配体在几何平面上是互补的,并涉
及有利的分子相互作用,将潜在地结合于蛋白质内
或表面。除了对接的低能量可显示其亲和力,当然
对接位置也很重要。虽然,这些方法都需加以论
证,不能替代传统的筛选方法,但分子对接在药物
研究中已广为运用,成为一种快速、经济的药物小
分子的初筛方法。COX-2的抑制机理是药物小分子
占据了花生四烯酸分子氧化的反应空穴(Cavity),并
和空穴内部表面的蛋白质分子紧密地结合,造成真
正底物无法进入。COX-1和 COX-2在反应空腔的
构成上细微的不同之处使得我们可以获得具有很强
的选择性抑制剂。目前我们正筛选数百种已经从植
物分离检定了的小分子。通过对比实验结果,我们
希望能够找到不同的小分子与特定酶、受体所具有
的不同的结合(亲和)能力在结构上的特定依据,以
便进一步地为药物设计和筛选做准备。由于X-射线
得出的大分子结构一般偏紧密,我们也将结合分子
动力学方法来放松配体及受体的结构。配体分子也
在不停地做热运动中,分子动力学也可以用来在对
接中产生类似的效果,以期获得更好的结果[22,23]。
分子配体除了与COX-2对接外,我们还可考虑其他
具有类似调控机能的分子,如利用结构活性关系
(structural activity relation, SAR),同时抑制 COX-2
及脂氧化酶(5-LOX),即一个药物小分子可以同时与
两个酶或受体结合,比如 10155BM567就与 COX-1
和 5-LOX的反应空穴接合,有初步结果表明双功能
抑制剂能产生协同作用抑制细胞生长[24,25]。两个,
甚至多个单独抑制结合的分子可能作用于同一酶或
受体,比如拼接合成性的 COX-2抑制剂及天然的
COX-2抑制剂,这有可能使该分子的一个基团作用
在活性位点 -1,另一个基团作用在活性位点 -2,比
如 COX-1和 COX-2分别都有两个活性位点。一种
从葡萄中分离出的植物雌激素(resveratrol)就是只作
用于COX-1活性位点 -2,即过氧化物酶的位置[26,27],
而不像西乐葆等 COX-2抑制剂,抑制活性位点 -1,
即环氧化酶的位置。我们在分子对接中也发现天然
小分子对接活性位点 -2的结合能要比活性位点-1的
要低。我们在分子对接中还发现很多不是西乐葆等
现有药物的潜在抑制分子,在活性位点 -2上的结合
能量和在活性位点 -1的结合很相近。因此,一旦
候选分子的生物活性被证实,开发全新的COX-2抑
制剂是有可能的。
5 利用脂质体包埋技术实现COX-2抑制剂的癌细
胞靶向投递
脂质体(liposome)是一种磷脂和胆固醇组成的双
层膜球形囊泡。脂质体可以用天然的磷脂和磷脂乙
醇胺(phosphatidylethanolamine)或纯表面活性剂,如
DOPE(dioleolylphosphatidylethanolamine)经超声波、
推挤法(extrusion)而获得。但目前只有推挤法制成的
脂质体药物可供人类使用。脂质体通常含有一个核
心的水溶液,所以,能携带亲水分子于核中。而
疏水性化学物质可以溶解到脂质体膜内,所以,脂
质体也可携带疏水性分子。由于其独特的性能脂质
体可以用作载体而传递运输携带药物,而且溶质和
疏水性分子都不能轻易通过脂质双层膜,脂质体双
层可以与其他细胞膜双层融合, 一定大小范围内的脂
质体可被人体中巨噬细胞吞噬。脂质体药物在脂质
体被巨噬细胞的胞溶体溶解后缓慢地释放出内含物。
脂质体的另一好处是它的癌细胞靶向能力,所
有健康人的血管内皮都是由内皮细胞所包裹,严密
阻止任何大颗粒从血液中漏出。但肿瘤血管则不具
有相同水平的密封效果,小于 400nm的脂质体通常
可迅速从患者的血液进入肿瘤组织。抗癌药物,如
阿霉素(Doxorubicin, Doxil)[28] 和柔红霉素 (Daunorubicin,
Daunoxome)[29] 利用的就是脂质体给药系统。根据
同样原理,可以预见COX-2抑制剂的脂质体包埋的
纳米分子将很有可能大大降低其心血管副作用。为
了躲避人体的免疫系统,成为“隐形脂质体”,即
脂质体外挂上惰性聚乙二醇(PEG),PEG脂质体延
长循环中的药物运送[30]。 目前的困难是PEG涂的厚
度,太厚则阻止脂质体与细胞的接合。为了特异性
接合脂质体还可挂上单克隆抗体,或特异性抗原,
这样脂质体药物就能够只送到病变组织。
COX-2抑制剂的研究正处于十字路口。能否找
到毒副作用很小的COX-2抑制剂是一极富有挑战性
的使命。天然产物结构多样化,许多天然药物在民
间常用于抗炎及止痛。因此,从天然化合物中寻找
COX-2抑制剂是一种机遇。从目前用固定化酶筛选
模型来看,如果是大量筛选有可能成本高,但专一
性高, 也能筛选双作用点和多作用点的功能性小分
子。如果在有 COX-2高表达的细胞水平筛选,靶
体会受到干扰,但成本低,也有观察多靶体的可能
8 0 生命科学 第 20卷
性。总之,根据不同的候选分子来源,以及历史、
文化等来建立其筛选体系十分重要,并以生物法筛
选为主,计算机虚拟筛选为辅,结合重要的信号传
递系统,如 COX-1、p38MAPK 和细胞生长、细
胞凋亡等诸多因子对其筛选结果进行关联的有序分
析,以及进行必要的化学修饰。
[参 考 文 献]
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