FDA批准的激酶小分子抑制剂类药物及分类一览

蛋白激酶

蛋白激酶(Kinase)是细胞生命活动重要的信号使者，可催化将ATP末端的γ-磷酸基团转移至底物上，从而将各种信号进行传递(图1)。蛋白激酶参与了众多的生理过程，包括细胞增殖、存活、凋亡、代谢、转录以及分化等。药理学及病理学研究表明，对于很多疾病，如肿瘤、炎症性疾病、中枢神经系统疾病、心血管疾病及糖尿病等，蛋白激酶都是一个理想的药物靶点。

图1 Mechanism of protein kinases and related publications

对于蛋白激酶的研究始于20世纪50年代，并在90年代随着MAPK/ERK、JAK及PI3K等信号通路的揭示而达到一个研究热潮。迄今为止，在人体中发现了518种蛋白激酶，而编码具有激酶活性蛋白的基因则高达900多种。与之相对应，有关激酶抑制剂的研究也逐步发展，并在激酶作用机制的阐明过程中扮演了重要角色，并成为重要的药物研究热点。该领域研究的文献数量也是逐年上升，从侧面反映了其在基础研究和药物发现中的重要性。

蛋白激酶抑制剂及其分类

过去的15年间，激酶抑制剂作为药物候选的研究取得了长足的进步，不论是基础研究还是在工业界。在人体现有药物靶点里面，蛋白激酶家族成员占比高达10%(FDA批准药物分子靶点深度解读)。2001年，第一个激酶抑制剂类药物Imatinib获得FDA批准，成为该领域发展的里程碑，此后十年该类药物以平均每年获批一种的速度稳步发展。而在2012年1月至2015年2月期间，小分子激酶抑制剂类药物迎来爆发式发展，共有15种新药获得审批。截至2016年12月底，共有31种小分子激酶抑制剂类药物获得审批，同时还有大量的化合物处于临床或临床前研究中。除此之外，科研人员还解析了超过5000种的蛋白激酶或蛋白激酶-抑制剂复合体的晶体结构，且超过五分之一的人类蛋白激酶具有明确的小分子抑制剂。因此，小分子激酶抑制剂已成为药物研发的一个热点领域。

蛋白激酶尽管在一级序列上有所差异，但在三维结构上却具有高度的保守性，特别是在催化活性结构域附近。该区域存在一个β-折叠构成的N-lobe区域及α-螺旋构成的C-lobe区域，而ATP结合在两者构成的沟状区，也是很多激酶抑制剂的结合位点。活性位点附近还存在一条Activation-Loop，通常末端存在一个保守的Asp-Phe-Gly (DFG)结构基序(图2A)。

图2 Kinase structure and different types of reversible small-molecule kinase inhibitor

根据结合模式的不同，激酶抑制剂可分为不可逆及可逆两大类。前者指化合物通过与Cys反应形成共价键结合在ATP结合位点上，从而封闭ATP的结合空间，该过程具有不可逆转性。后者根据结合口袋区域及DFG基序构象的不同，可分为四种主要的不同亚型(图2B)。类型Ⅰ为ATP竞争性抑制剂，结合与活性形式激酶DFG基序上的Asp残基。类型Ⅱ抑制剂结合与非活性状态的激酶中，其上DFG基序上的Asp残基朝向分子外侧。而类型Ⅲ的抑制剂结合在ATP附近别构位点上，但同ATP结合口袋没有相互作用。类型Ⅳ抑制剂结合在远离ATP结合位点的别构作用区域。还有些激酶抑制剂，如双底物类抑制剂，可以统一划分在类型Ⅴ里面，作用模式与上述四类有所不同。

图3 Small molecular kinase inhibitors approved by FDA in 2001-2016

在获批的31中小分子激酶抑制剂类药物中(图3)，绝大多数为酪氨酸激酶抑制剂，还有些属于丝氨酸/苏氨酸激酶抑制剂，只有2014年七月获批的Idelalisib属于脂激酶类抑制剂。根据靶点蛋白及药物属性的不同，分类整理如下：

1. FDA批准的可逆NRTK(非受体型酪氨酸激酶)抑制剂类药物

图4 Reversible NITK inhibitors

2. FDA批准的可逆RTK(受体型酪氨酸激酶)抑制剂类药物

图5 Reversible RTK inhibitors-1

图6 Reversible RTK inhibitors-2

3. FDA批准的不可逆蛋白激酶抑制剂类药物

图7 Inreversible protein kinase inhibitor

4. FDA批准的丝氨酸/苏氨酸激酶抑制剂类药物

图8 Serine/Threonine kinase inhibitors

5. FDA批准的脂激酶抑制剂类药物

图9 Lipid kinase inhibitor

挑战与展望

在过去的15年里，基于蛋白激酶的药物发现取得了巨大进步。相比于GPCR，膜通道与转运蛋白及蛋白酶等传统药物靶点领域，激酶抑制剂代表了一类年轻而又充满活力的药物发现空间，并取代GPCR成为癌症领域最火热的细胞治疗靶点。尽管在短短十五年时期内已有31种药物获得批准，但在2016年，近五年的快速增长势头没能继续延续。激酶小分子抑制剂类药物研究领域仍面临诸多挑战。

首先，人体内激酶家族中只有少数成员获得了详尽研究。绝大多数抑制剂研究集中于酪氨酸激酶及类酪氨酸激酶家族，如CDK、MAPK、GSK3、CMGC、PKA、PKG及PKC等。这一不平衡还体现在现有获批药物数量上，针对BCR-Abl、ErbBs及VEGFRs三类酪氨酸激酶开发的药物占到了总数的三分之二以上。而在另一分类体系中，脂激酶只有一种抑制剂类药物上市，尽管这类酶的抑制剂早在20世纪90年代就早已有报道，且开展了很多临床及临床前研究。以上现状表明，人体激酶组中的很多成员还处于被冷落状态。我们需要开发出新型的研究方法或筛选探针，以便更好的揭示这些激酶的作用机制，并有效开发其作为药物靶点的潜力。令人鼓舞的是，最近几年有数个激酶成员的抑制剂类药物首次获得批准，如2013年MEK抑制剂Trametinib、BTK的抑制剂Ibrutinib及2015年获批的CDK抑制剂Palbociclib。

其次，尽管激酶的梯级调控信号调节着众多的生理过程，如炎症反应、中枢神经系统异常、心血管疾病、糖尿病及癌症等，但现有获批药物超过90%以上集中在癌症治疗领域。针对激酶的小分子抑制剂类药物应用领域亟待拓展。目前，Tofacitinib已被批准用于关节炎治疗。即便是在肿瘤治疗领域，也有很多问题有待进一步深入研究，如肿瘤的耐药性问题以及同其他药物的联合用药等。

第三，现有的很多激酶抑制剂药物存在较多相似性，大多是在已批准药物基础上设计优化而成，如针对ErbB的五种抑制剂均包含相同的核心结构模块。从这个角度讲，现有药物的结构多样性不够丰富，亟需增加药物研发初始阶段高通量筛选(HTS)所用化合物库的结构多样性。而天然产物库，通常包含不同于绝大多数化学合成抑制剂库的药效团及分子骨架，有望成为拓展HTS库结构多样性的新资源。

第四，具有新的作用机制及特异性的激酶抑制剂类药物有待开发。由于激酶ATP结合口袋区域附近结构的保守型，绝大多数抑制剂为可逆性抑制剂。这也导致了绝大多数小分子抑制剂存在不止一个作用靶点分子，导致脱靶现象以及副作用的产生。与之相随，具有绝对选择性的抑制剂分子极为稀少。未来工作中，我们需要探索具有新型作用机制的抑制剂分子。而激酶抑制剂的选择性则是一个略带争议的特性。早期研究中，具有交叉抑制活性或广谱选择性的抑制剂是肿瘤学研究的得力方法。而当前，选择性抑制剂更适合于肿瘤治疗的理论逐步被广泛认同。研究结论表明，激酶抑制剂类药物并不需要绝对的选择性，而是要有适当的选择性以便在药效与毒性间达到某个平衡点。

本文所引用资料：

1. Small Molecule Kinase Inhibitors as Anti-Cancer Therapeutics. Mini-Reviews in Medicinal Chemistry, 2012, 12, 399-411

2. Kinase inhibitors and monoclonal antibodies in oncology: clinical implications. Nature Reviews Clinical Oncology, 2016,13,209–227

3. Tyrosine Kinase Inhibitors: Views of Selectivity, Sensitivity and Clinical Performance. 2013,53,161-185

4. Small-molecule kinase inhibitors: an analysis of FDA-approved drugs. Drug Discov Today. 2016Jan;21(1):5-10

5. FDA-approved small-molecule kinase inhibitors. Trends in Pharmacological Sciences 2015,36,422-439

6. http://www.fda.gov/Drugs/default.htm

7. http://www.accessdata.fda.gov/scripts/cder/daf/index.cfm

8. 部分药物信息查询自药渡网-药物数据。