靶向STAT3小分子抑制剂的研究现状分析

王莉 刘龙飞

作者单位：421002 湖南衡阳，南华大学附属南华医院普外科

信号转导和转录激活因子3（STAT3）是在正常组织中广泛表达的转录因子，控制许多细胞内的生物过程。然而，在许多不同类型的癌症中已经观察到异常或组成型活化的STAT3，并且已显示组成型活化的STAT3与不良预后、肿瘤进展甚至肿瘤耐药相关[1，2]。目前已有相关研究显示STAT3对治疗许多不同类型的癌症有很多可能的靶标，尽管进行了数十年的研究，但由于低特异性和细胞毒性等问题，FDA批准的STAT3抑制剂尚未出现[3]。我们对靶向STAT3的小分子抑制剂药物的研究进行总结，现综述如下。

1 STAT3的介绍

信号转导和转录激活因子3（STAT3）主要通过细胞因子（如 IL-6、IL-10、 IL-11、LPS、INF-γ）和生长因子（如 EGF、VEGF、FGF）介导 JAK2/ STAT3信号通路来调节细胞内生物学行为[4，5]，主要包括胚胎发育、细胞增殖、分化、存活、炎症反应、抗凋亡、免疫和血管生成[6，7]。在正常生理条件下STAT3的信号受到严格调节，以维持短暂活跃的状态，然而STAT3在许多类型的人类癌症中被组成型激活，其调节与癌症进展和恶性程度相关的细胞周期、细胞存活和免疫应答相关基因的表达[1，8]。STAT3由六个不同功能结构域的770 个氨基酸组成，包括氨基末端结构域（NTD）、卷曲螺旋结构域（CCD）、DNA结合结构域（DBD）、接头结构域、SH2结构域和羧基末端反式激活结构域（TAD）[9，10]。直接靶向 STAT3 抑制剂主要通过作用在不同功能的结构域来发挥作用，目前发现的抑制剂以靶向STAT3的SH2、DBD结构域居多。

2 STAT3与肿瘤

2.1 STAT3与肿瘤的发生STAT3的组成型激活在大多数人类癌症中可增强癌细胞活性，可以上调许多对生存和增殖相关基因的表达，可上调c-Myc、Cyclin-D、CDC25A、Pim1等细胞周期蛋白及癌蛋白的表达，同时上调 BCL-2、BCL-XL、Mcl-1、survivin等凋亡及细胞生存及相关蛋白的表达，并上调COX-2、CXCR4 等微环境影响因子的表达[10～12]。STAT3可以转导众多致癌信号通路并调节多种致癌基因的表达，这是其在癌症发展中的基础。

2.2 STAT3与肿瘤的发展随着肿瘤的发生，肿瘤生物学行为的产生和维持均依赖于异常活化的STAT3。与正常细胞相比，人类约70%的实体和血液肿瘤显示出过表达或组成型活性的STAT3，STAT3高表达的肿瘤细胞大量表达MMP2、MMP9、Cten，进而促进其侵袭及转移能力，此外，活化的STAT3可上调twist的表达，从而促进肿瘤细胞的上皮-间质转化作用，增强其转移能力，进一步促进肿瘤的发展[13，14]。

2.3 STAT3在肿瘤微环境中的作用肿瘤微环境中的浸润性内皮细胞较正常上皮细胞更不易凋亡，且EGF、VEGF、HGF等细胞因子显著增加，均可刺激STAT3活化从而促进血管内皮细胞生长进而促进新生血管形成，使血液传播转移发生率升高，进一步促进肿瘤扩散[15]。

2.4 STAT3与免疫虽然肿瘤的进展涉及炎症反应激活、组织侵袭等过程，但在很大程度上因免疫干预或免疫逃逸等导致癌症扩散。据报道，STAT3的组成性激活抑制促炎介质的肿瘤表达，阻断肿瘤细胞中的组成性STAT3可增加先天免疫和树突状细胞的促炎细胞因子和趋化因子的表达，从而导致肿瘤特异性T细胞反应。此外，组成性STAT3活性诱导产生抑制树突细胞功能成熟的多效因子，因此，抑制抗肿瘤免疫涉及STAT3活化的级联从肿瘤向树突细胞传播。有研究提出STAT3高组成性激活肿瘤可以通过阻断免疫系统的多个组分产生和感知炎症信号来介导免疫逃避[16，17]。

3 STAT3与肿瘤耐药

通路靶向的抗癌药物在开始应用时可能有显著效果，但随着使用时间的延长，大量耐药细胞出现，这些抗癌药物的疗效显著下降。STAT3可通过诱导存活蛋白和细胞周期基因的表达来增强对常规化学疗法和放射疗法的抗性，STAT3靶标（如Bcl-2、生存素 c-myc、cyclin-D1和 Mcl-1）通过直接下调肿瘤抑制基因（如p53），或间接通过ZEB1诱导[2，18]。作为抗细胞凋亡和增殖性病变的结果，这种致癌途径也参与内在的耐药性和STAT3 高表达肿瘤对化学治疗剂的抗性，干扰STAT3致癌途径可能会恢复机体对抗癌药物的敏感性。

4 STAT3小分子抑制剂

目前众多研究已经强调了STAT3在癌症发生和发展中的重要作用， STAT3已成为治疗癌症有吸引力的靶标[19]。直接靶向STAT3蛋白是目前研究最多的途径，目前临床前期实验的抑制剂主要作用在SH2结构域、DBD结构域[20]，本综述将从以下两个方面分析。

4.1 作用于SH2结构域的小分子抑制剂STAT3同源二聚化由各个单体的SH2结构域之间的蛋白质- 蛋白质相互作用介导，特别是通过Tyr705的磷酸化，这种关键的分子相互作用已被用作直接抑制STAT3的小分子抑制剂的分子靶标[20]。

Stattic是 STAT3的第一个小分子抑制剂之一，与位于SH2结构域的磷酸肽结合区附近的半胱氨酸残基如Cys687的相互作用，选择性地抑制STAT3活性、二聚化和核转位[21]，此外，Stattic与其他化疗药物（如替莫唑胺、顺铂、赫赛汀）和放射治疗的联合治疗增强了这些治疗的疗效，加速了胶质瘤、头颈部鳞状细胞癌和乳腺癌细胞的凋亡。Stattic也已经在几种动物模型中进行了测试，例如食管鳞状细胞癌、结肠癌、前列腺癌和卵巢癌，这些模型显示Stattic单独使用可抑制肿瘤生长，并且与放射和化学治疗相结合可增强抑癌效果[22]。Stattic抑癌活性也被证明为时间、温度和二硫苏糖醇依赖性，但由于简单的化学结构，缺乏靶向选择性。

STA-21抑制STAT3的磷酸化、二聚化、DNA结合活性和转录活性，以及诱导具有组成型活性STAT3表达的癌细胞系中细胞的凋亡[23]。为改善其细胞渗透性，随后将该化合物衍生成不太复杂的基于蒽醌的化合物（LLL-3），用磺酰胺替代其乙酰基进一步优化LLL-3，产生另一种STAT3抑制剂LLL-12。LLL-12特异性抑制STAT3磷酸化、核定位、DNA结合活性和抑制STAT3靶基因的表达，并通过增加多种癌细胞系中caspase-3和PARP的裂解诱导细胞凋亡，包括乳腺癌、胰腺癌、结肠癌[24]。虽然LLL-12在临床前研究中结果很好，但由于它的溶解度低、生物利用度低而尚未进行体内研究。

S3I-201也通过靶向STAT3的SH2结构域的虚拟筛选鉴定，并且它代表研究最多的STAT3抑制剂。早期研究表明，S3I-201破坏STAT3二聚化，降低活性STAT3的核水平， DNA结合和转录活性，通过抑制STAT3编码基因细胞周期蛋白D1、BclxL和存活蛋白的的表达，抑制几种癌细胞系的增殖、迁移和侵袭[25]。因S3I-201细胞毒性大，已经在临床前模型中创建并测试了几种S3I-201类似物，其细胞毒性虽然有所下降，但仍较大，使其不太可能成为临床开发的候选者。

临床试验中OPB-31121和OPB-51602被认为靶向SH2结构域非常有效，并且在体外和体内的临床研究中已被证明在几种不同类型的癌症中具有抗肿瘤作用。尽管对OPB-31121的初步研究显示具有抑制STAT3和抗肿瘤的作用，但肝细胞癌的临床试验显示出最小的抗肿瘤活性，较差的药代动力学特性和周围神经系统毒性[26]。OPB-51602仅在非小细胞肺癌中表现出一些抗肿瘤活性，但在血液系统恶性肿瘤中却没有。由于药代动力学性质和耐受性差，这两种抑制剂的临床试验暂时终止[27]。这些抑制剂需要进一步优化以改善药代动力学性质并限制观察到的毒性。

综上所述，尽管通过分子建模等虚拟筛选已经显示部分抑制剂可直接与SH2结构域结合，但缺乏证据来排除这些抑制剂是否可抑制STAT3上游（如JAK2）来降低STAT3磷酸化，引起我们对其特异性的担忧。研究表明STAT3单体或未磷酸化的STAT3蛋白也可与其他蛋白结合，进而转录下游靶蛋白，靶向SH2结构域的成功率有限。并且目前已经发现体细胞中出现了SH2结构域的激活突变，虽然仍有待确定，但这些体细胞突变可能影响SH2结构域抑制剂与STAT3的结合并降低这些抑制剂的功效[28]。因此，进一步研究这些突变并鉴定具有这些突变的患者将可能有益于SH2结构域靶向STAT3抑制剂的临床测试并使精确使用的患者受益。

4.2 作用于DBD结构域的小分子抑制剂天然产物Galiellalactone被鉴定可以通过结合DBD结构域来抑制STAT3的DNA结合活性，但口服生物利用度低，体内研究需要静脉注射[29]。为了提高Galiellalactone的口服生物利用度，通过在硫醇中加入N-乙酰基L-半胱氨酸甲酯，制备了前药GPA512[30]。然而， GPA512可以中断 NF-κB 和TGF-β等其他信号通路，这缺乏特异性可能在其未来发展过程中成为一个问题。

已发现一类铂化合物包括[IS3-295、CPA-1、CPA-7和四氯化铂（IV）] 可阻断STAT3的DNA 结合活性、抑制细胞生长、诱导细胞凋亡，同时对细胞无影响、没有持久的STAT3激活，在这些化合物中，仅在体内模型中测试了CPA-7 ，然而其不能穿过血脑屏障限制了其在中枢神经系统中治疗肿瘤的用途[3]。

改进的计算机筛选方法，鉴定了靶向STAT3的DBD区域的小分子抑制剂，发现InS3-54在体外选择性地结合STAT3的DBD结构域从而抑制STAT3的DNA结合活性，进一步调查发现InS3-54的类似物，InS3-54A18（A18）在溶解性、特异性和药理学方面都有增强，而且对动物几乎没有副作用。重要的是，使用纯化的重组STAT3和固定化合物的下拉分析显示A18直接结合STAT3的DBD[31]。因此，作为靶向人STAT3的DBD的抗癌治疗剂，A18是进一步开发的潜在候选者。

尽管通过分子建模等虚拟筛选已经显示部分抑制剂可直接与SH2、DBD结构域结合，但由于缺乏足够的测定系统，尚未彻底检查STAT3 DNA结合结构域的靶向和STAT3与其DNA启动子结合的破坏，可用于确认STAT3的DBD结合的范围仍然很窄，对DBD结构域的研究具有较大的空间。

5 结论

STAT3的异常活化对癌症的发生、发展具有促进作用，使用靶向STAT3的特异性抑制剂可能是一种有效的癌症治疗方法，尽管已经显示许多STAT3抑制剂在体外具有抗肿瘤的效果，但是难以筛选出高效、低毒、副作用少的抑制剂，而且进一步动物实验研究针对相关抑制剂的药理、毒理等方面研究较少，进入临床评价的抑制剂更是寥寥无几。

虽然现在STAT3抑制剂还没有上市，但与其他靶向治疗剂的合用，尤其是免疫治疗剂的组合已显示出不错的前景，希望将来相关研究取得突破，使STAT3抑制剂广泛应用于临床。