张子旸等开发脑部限定mTOR活性抑制药物

撰文 | 十一月

靶向药物治疗的“不够靶向”是预后不良反应的一个重要来源，会限制候选药物的治疗窗口【1】。在中枢神经系统疾病中，如果能够在脑部限定药理作用，将是扩大候选药物的使用窗口的重大进展。

近日，美国加州大学旧金山分校Kevan M. Shokat研究组（第一作者为张子旸）在Nature上发表了文章Brain-restricted mTOR inhibition with binary pharmacology，开发了一种通过脑透性mTOR抑制剂RapaLink-1以及脑透性FKBP12配体RapaBlock同时使用的双向药理策略，实现了在胶质母细胞瘤中抑制mTOR活性同时又保留mTOR在其他部位的活性的靶向药物组合。

小分子药物通常具有全身的药理作用，这有助于提高药效，但同时也会增加不该有的毒性。目前药物的脱靶效应可以通过改变药物的特异性化学修饰来缓解，但是脱靶效应所造成的毒性仍然是一项重大挑战。想要对药物生效的组织分区进行精确控制，仍然难以实现。mTOR的化学抑制剂就是关于药物脱靶效应的一个很好的例子。在多种中枢神经系统疾病比如结节性硬化症以及胶质母细胞瘤中都已经对mTOR抑制剂的作用进行了研究【2-3】。但是这些抑制剂的作用是全身性的，会导致各种剂量限制的不良反应，比如免疫抑制、代谢障碍以及儿童的生长抑制【4-5】。如果能够将mTOR抑制剂的药理局限在中枢神经系统，那么治疗的窗口则会大大拓宽。

为此，作者们提出了一种化学策略，通过将两种药理学制剂进行组合，允许大脑特异性mTOR的抑制。先前的研究中mTOR激酶的靶向治疗可以通过变构和正构两种方式实现。第一代mTOR抑制剂结合FRB结构域，与细胞内蛋白FKBP12组成复合物，导致mTOR的底物依赖性变构抑制。第二代mTOR激酶抑制剂TORKi直接结合在mTOR的ATP口袋中，抑制mTOR复合体的活性。第三代mTOR抑制剂RapaLink-1是一种双视配体，同时结合mTOR的ATP口袋和变构FRB结构域口袋，实现了对其激酶活性的有效和持久的抑制【6】。

尽管其分子量较大，但RapaLink-1近年来一直是细胞和大脑的主要研究对象，与早期的mTOR抑制剂相比，RapaLink-1在促进胶质母细胞瘤消退方面表现出了增强的体内疗效。作者们想知道RapaLink-1与FKBP12的相互作用是否对其抑制mTOR必不可少。作者们发现在体外无论FKBP12存在与否，RapaLink-1都可以发挥抑制作用。这表明，在无细胞环境下RapaLink-1可以独立于FKBP12激活mTOR的活性位点。然而，当作者们在细胞中测试RapaLink-1时，则观察到FKBP12对mTOR的抑制有很强的依赖性。当作者们使用FKBP12的高亲和力天然配体FK506对FKBP12的配体结合位点进行药理阻断时，这种作用更加明显。这些结果说明，尽管FKBP12不是RapaLink-1在体外结合和抑制mTOR活性位点所必需的，但它是细胞内活性所必需的，可能是RapaLink-1在细胞内积累的细胞内接收器。

图1 脑部限定mTOR抑制剂的工作原理

基于此观点，作者们设计了一种药物组合策略：在外周组织中使用一种强效的、非脑源性小分子配体对FKBP12进行选择性封锁，将允许RapaLink在大脑而非外周组织中积累，从而导致大脑特异性抑制（图1）。首先需要确定具有适当通透性的候选FKBP12配体，即要求具有细胞通透性但不具有血脑屏障通透性。但目前已知的一些FKBP12 的配体比如FK506、SLF等都很容易通过血脑屏障。因此，作者们合成了一组SLF和FK506的衍生物，从中发现了RapaBlock，可以保护周围组织不受RapaLink-1的影响，但允许大脑中mTOR的有效抑制。当在胶质母细胞瘤移植瘤模型中使用时，该药物联合使用可促进肿瘤消退而没有检测到全身毒性。

总的来说，作者们工作通过使用脑透性mTOR抑制剂RapaLink-1和脑透性FKBP12配体RapaBlock实现在脑部特异性抑制哺乳动物mTOR同时保留mTOR在其他部位的活性的药物开发策略，为mTOR抑制剂在脑部提供了拓宽的使用窗口。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05213-y

制版人：十一

参考文献

1. Johnson, T. E. et al. Statins induce apoptosis in rat and human myotube cultures by inhibiting protein geranylgeranylation but not ubiquinone.Toxicol. Appl. Pharmacol.200, 237–250 (2004).

2. Rageot, D. et al. Discovery and preclinical characterization of 5-[4,6-bis({3-oxa- 8-azabicyclo[3.2.1]octan-8-yl})-1,3,5-triazin-2-yl]-4-(difluoromethyl)pyridin-2-amine (PQR620), a highly potent and selective mTORC1/2 inhibitor for cancer and neurological disorders.J. Med. Chem. 61, 10084–10105 (2018).

3. Akhavan, D., Cloughesy, T. F. & Mischel, P. S. Learned from bench to bedside.Neuro Oncol.12, 882–889 (2010).

4. Pallet, N. & Legendre, C. Adverse events associated with mTOR inhibitors.Expert Opin. Drug Saf.12, 177–186 (2013).

5. González, D. et al. Growth of kidney-transplanted pediatric patients treated with sirolimus. Pediatr.Nephrol.26, 961–966 (2011).

6. Rodrik-Outmezguine, V. S. et al. Overcoming mTOR resistance mutations with a new-generation mTOR inhibitor.Nature534, 272–276 (2016).

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