精氨酸剥夺疗法在恶性肿瘤治疗中的研究进展

姚舒洋，张毅

首都医科大学宣武医院胸科，北京 100053

肿瘤细胞的代谢重组十分旺盛，其氨基酸代谢能够为肿瘤细胞的加速生长和增殖提供能量。20世纪30年代Gilroy的研究发现，与标准饮食小鼠相比，富含精氨酸饮食小鼠的肿瘤长得更快，相反，缺乏精氨酸饮食小鼠的肿瘤发生率较低，而且肿瘤长得更慢。更重要的是，精氨酸代谢受抑制后会导致肿瘤细胞溶解，而正常的体细胞并不会受到任何影响。之后，研究者对精氨酸营养缺陷型肿瘤开展了大量研究，发现精氨酸脱亚胺酶（arginine deiminase，ADI）能够有效治疗依赖精氨酸代谢的恶性肿瘤，成为一种抗肿瘤治疗手段。本文综述了ADI类药物单药或与其他类型抗肿瘤药物联合治疗恶性肿瘤的临床前和临床研究结果，现报道如下。

1 精氨酸在恶性肿瘤细胞生长中的作用

1.1 精氨酸代谢

精氨酸是一种半必需氨基酸，正常细胞可摄取外源性精氨酸，也可利用瓜氨酸合成精氨酸。精氨酸是合成蛋白质、尿素、多胺类、胍基丁胺以及谷氨酸和脯氨酸的必需原料，它参与细胞的多种代谢过程，能够促进伤口愈合和生长激素的释放，并具有免疫调节活性（如T细胞受体的表达、杀伤性T细胞的激活、免疫记忆）。此外，精氨酸是一氧化氮（nitric oxide，NO）的唯一底物，而NO在恶性肿瘤的发生发展中意义重大，能够促进肿瘤血管生成，并调控肿瘤细胞DNA的破坏及修复等。

瓜氨酸合成精氨酸具有两种途径：①瓜氨酸通过精氨酸琥珀酸合成酶1（argininosuccinate synthetase 1，ASS1）合成精氨酸琥珀酸，再通过精氨酸琥珀酸裂解酶（argininosuccinate lyase，ASL）生成精氨酸；②精氨酸酶将精氨酸降解为L-鸟氨酸和尿素，L-鸟氨酸被鸟氨酸氨甲酰基转移酶转化成L-瓜氨酸，最终再次通过ASS1/ASL生成精氨酸。其中，ASS1是精氨酸合成的限速酶，在精氨酸代谢中具有重要意义。

1.2 精氨酸营养缺陷型恶性肿瘤细胞

研究表明，很多恶性肿瘤存在精氨酸营养缺陷型，如恶性黑色素瘤（精氨酸营养缺陷型占60%～100%）、肝细胞肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）（100%）、前列腺癌（100%）、胰腺癌（＞80%）、乳腺癌（60%）、小细胞肺癌（44%）、恶性胸膜间皮瘤（malignant pleural mesothelioma，MPM）（60%）。这意味着精氨酸代谢障碍时，细胞生存需要完全依赖外源性精氨酸来维持必需的生物过程。临床中发现，大部分精氨酸营养缺陷型恶性肿瘤患者初诊时已是晚期，而且大多存在化疗药物原发性耐药，这部分患者的肿瘤具有更高的侵袭性和更差的预后。

1.3 精氨酸剥夺疗法——抗肿瘤治疗的新策略

对于精氨酸营养缺陷型肿瘤，可以通过限制肿瘤细胞从血液中摄取足够的精氨酸从而抑制肿瘤细胞的生长，这就是精氨酸剥夺疗法，可以从3个方面实现：饮食上限制精氨酸摄入、抑制精氨酸转运和促进精氨酸降解。精氨酸限制性饮食只在结直肠癌和皮肤癌的小鼠模型中见到效果，但在患者中完全见不到效果。通过抑制精氨酸转运进行抗肿瘤会影响非恶性肿瘤组织的精氨酸转运，无法应用于临床。因此，精氨酸降解酶是目前获得成功的精氨酸剥夺疗法。

ADI是精氨酸降解酶中的研究热点，它可以将精氨酸分解为瓜氨酸和氨。然而，由于ADI的抗原性很高，能够诱导人体产生抗体，从而发生严重的过敏反应，因此其临床应用受到限制。经聚乙二醇[poly（ethylene glycol），PEG]修饰改良后的ADI-PEG20，在保留其生物活性的基础上，不仅能够降低免疫原性，而且进一步延长了半衰期。美国和欧洲已经批准ADI-PEG20作为治疗HCC的孤儿药。

2 ADI类药物抗肿瘤机制的临床前研究

研究发现ADI类药物抑制多种肿瘤细胞生长的潜在机制包括：①诱导细胞自噬。自噬是一种非凋亡的细胞程序性死亡。精氨酸剥夺疗法可以降低腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）的水平，使哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，MTOR）信号通路失活，从而诱导自噬；还可以使线粒体功能异常导致细胞自噬；也能够通过上调热休克蛋白和铁/锰超氧化物歧化酶等压力相关蛋白的表达诱导自噬。这些过程同时会影响细胞周期，使细胞周期阻滞在G或S期。②诱导细胞凋亡。在小细胞肺癌、白血病、视网膜母细胞瘤和胰腺癌细胞中，精氨酸剥夺疗法可通过促进细胞坏死因子诱导凋亡配体而启动凋亡。它还可以启动胱天蛋白酶（caspase）依赖的凋亡，或通过Bcl-2相关X蛋白（Bcl-2-associated X protein，BAX）的构象变化和线粒体内膜去极化来诱导凋亡。③诱导细胞衰老。细胞衰老是指有增殖能力的细胞处于持续的停滞状态，打破了细胞衰老死亡与新生细胞生长的动态平衡。精氨酸剥夺疗法可导致大脑胶质瘤细胞过度表达衰老相关B葡萄糖苷酶、一些炎性细胞因子[如白细胞介素（interleukin，IL）-1、IL-6和IL-8]以及p16信号通路因子，这些肿瘤细胞本身很难发生细胞凋亡。④启动瓦博格效应，即肿瘤细胞即使在有氧情况下也不利用线粒体氧化磷酸化产能，转而利用有氧糖酵解。精氨酸剥夺疗法能够抑制肿瘤细胞的丝氨酸生物合成和下游叶酸依赖酶的活性，从而启动瓦博格效应。⑤抑制血管生成。在体外实验中发现精氨酸剥夺疗法可抑制血管内皮细胞的血管生成以及血管新生化过程。体内试验发现，与使用生理盐水的对照组相比，ADI使肾癌细胞移植小鼠的肿瘤微血管密度降低了39%[实验组

vs

对照组：（63.2±7.7）

v

（

s

104.5±9.7），

P

＜0.05]，采用酶联免疫吸附试验检测的血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）水平下降了23%[实验组

vs

对照组：（66.6±9.6）pg/ml

v

（

s

86.5±12.1）pg/ml，

P

＜0.05]。

3 ADI-PEG20抗肿瘤的临床研究

3.1 ADI-PEG20单药治疗

有关ADI-PEG20的早期临床试验纳入的患者都是多线化疗药物或靶向药物治疗失败的难治性HCC、恶性黑色素瘤和间皮瘤患者。该药的耐受性好，不良反应多为轻中度。常见的不良反应为局部注射反应、皮疹、乏力，而化疗药物常见的不良反应如骨髓抑制、胃肠道反应或其他重要器官的不良反应均未见到。虽然在这些研究中最佳治疗反应只是疾病稳定（stable disease，SD），但是患者的无进展生存时间（progression-free survival，PFS）和总生存时间（overall survival，OS）均获得了显著延长。

3.2 ADI-PEG20的耐药机制

限制ADI-PEG20临床应用的因素是治疗相关耐药问题。ADI-PEG20的耐药机制如下：①被沉默的

ASS1

基因再次表达，大部分ASS1阴性患者在复发时，其肿瘤细胞出现了ASS1阳性表达；②中和抗体的产生，ADI-PEG20能够诱导机体产生ADI中和抗体，抑制精氨酸酶的活性，导致血清精氨酸水平很快回升；③ASS1阴性细胞中ASL水平上调；④增强的糖酵解作用。精氨酸剥夺对多种生物过程具有非常重要的影响，通过与其他化疗药物和靶向药物联合，既可以减慢抗ADI-PEG20抗体的产生和ASL的上调，又可以作为化疗增敏剂而改善化疗药物的耐药性。ADI-PEG20与其他药物联合治疗成为克服单药治疗耐药的策略。

3.3 ADI-PEG20联合化疗的临床研究

3.3.1 晚期HCC一项Ⅰ期临床研究纳入了索拉非尼治疗失败的HCC患者和一线治疗失败的晚期胃肠道肿瘤患者23例，均接受改良版FOLFOX6方案（奥沙利铂85 mg/m，静脉注射，第1天；亚叶酸钙400 mg/m静脉滴注，第1天；氟尿嘧啶400 mg/m静脉推注，第1天，然后1200 mg/m持续静脉泵入2天）化疗联合不同剂量的ADI-PEG20治疗，结果显示，客观有效率（objective response rate，ORR）为21%，中位PFS和OS分别为7.3个月和14.5个月，均明显优于FOLFOX4方案（奥沙利铂85 mg/m，静脉注射，第1天；亚叶酸钙200 mg/m静脉滴注，第1～2天；氟尿嘧啶400 mg/m静脉推注，600 mg/m持续静脉泵入22 h，第1～2天）二线治疗HCC的前瞻性研究结果（ORR为8%，中位PFS和OS分别为2.9个月和6.4个月）。

3.3.2 晚期胰腺癌一项Ⅰ/Ⅰb期临床研究分析了纳米紫杉醇和吉西他滨两药化疗联合不同剂量的ADI-PEG20治疗晚期胰腺癌的临床疗效，该研究共纳入18例患者。其中15例患者未接受过全身治疗，该治疗作为一线治疗的ORR为45.5%，一线治疗的中位PFS和OS分别为6.1个月和11.3个月。此小样本结果不劣于一项Ⅲ期随机对照临床试验的结果，该随机对照临床试验分析了纳米紫杉醇联合吉西他滨两药化疗与吉西他滨单药一线治疗晚期胰腺癌的临床疗效，其中纳米紫杉醇联合吉西他滨两药化疗组患者的ORR为23%，中位PFS和OS分别为5.5个月和8.5个月。

3.3.3 晚期实体肿瘤一项有关多西他赛联合不同剂量ADI-PEG20治疗晚期实体瘤的Ⅰ期临床研究入组了18例患者，结果显示，ADI-PEG20并未增加化疗不良反应，联合治疗的耐受性较好。因入组患者数量有限且是不同的病理类型，因此有效率和生存结果与其他文献的结果相比未见明显优势。仍可发现8例血清精氨酸水平明显降低的患者，其疾病控制率为100%，提示精氨酸水平可能具有潜在的疗效预测作用。

3.3.4 复发性高级别脑胶质瘤一项有关培美曲塞/顺铂联合ADI-PEG20治疗ASS1阴性复发性高级别脑胶质瘤的Ⅰ期临床研究入组了10例患者，结果显示，患者的耐受性好，大部分不良反应为1～2级，最佳治疗反应为SD（

n

=8，80%），中位PFS和OS分别为5.2个月和6.3个月。这一数据与历史性数据相似，但是其他历史性研究的入组患者多为一线治疗失败者，而上述研究中90%的患者接受过二线以上的化疗；而且上述研究中的患者均为ASS1阴性患者，在多种肿瘤中ASS1阴性与预后不良密切相关。

从上述4个应用ADI-PEG20联合化疗治疗晚期实体肿瘤的Ⅰ期临床研究中可知，ADI-PEG20并未显著增加化疗药物的不良反应，患者的整体耐受性良好，而且患者的近期疗效和远期疗效均较好，值得进一步研究。

3.3.5 胸部恶性肿瘤一项多中心前瞻性随机对照Ⅱ期临床研究纳入了68例ASS1表达＜50%的MPM患者，以2∶1的比例将患者分为ADI-PEG20试验组（

n

=44）和安慰剂组（

n

=24）。58%的患者具有一线含铂两药化疗失败史。ADI-PEG20试验组患者的中位PFS长于安慰剂组（3.2个月

vs

2.0个月，

P

=0.03），ADI-PEG20试验组和安慰剂组患者的4个月SD比例（52%

vs

22%，

P

=0.23）和中位OS（15.7个月

vs

12.1个月，

P

=0.13）比较，差异均无统计学意义。两组患者的不良反应发生率比较，差异无统计学意义（

P

＞0.05）。前述多西他赛联合不同剂量ADI-PEG20治疗晚期实体瘤的Ⅰ期临床研究中，共有9例非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）患者，均至少有一线化疗失败史，结果显示，1例患者达到部分缓解（partial response，PR），疾病控制率为 66.7%（4/6），优于多西他赛单药二线治疗NSCLC的效果。

一项Ⅰ期临床研究分析了ADI-PEG20联合培美曲塞/顺铂一线治疗MPM或非鳞NSCLC的临床疗效。其中，5例患者为MPM，4例患者为肺腺癌。ORR为78%（7/9），均为PR。中位PFS为30.1周，中位OS为55.7周。大部分患者的不良反应为1～2级，未出现剂量限制性毒性和治疗相关性死亡。基于该小样本Ⅰ期临床研究中三药联合治疗达到了较好的ORR结果，一项计划纳入386例混合型或肉瘤样MPM患者并随机接受培美曲塞顺铂二联化疗+ADI-PEG20或安慰剂的Ⅱ/Ⅲ期临床研究目前正在招募患者中（NCT02709512）。

4 小结

肿瘤精准治疗是指在正确的阶段（新辅助治疗、辅助治疗、挽救性治疗阶段）给适当的患者（具有靶基因或其他特殊生物学特点的患者）使用具有充分抗肿瘤效果的药物。精氨酸剥夺疗法是一种具有发展前景的肿瘤治疗方法。虽然ADI类药物单药治疗的耐药问题影响了其临床应用，但已有多个Ⅰ期临床研究证明ADI-PEG20联合化疗治疗恶性肿瘤具有较好的疗效，而且ADI类药物的不良反应与化疗、靶向治疗和免疫治疗不同，在临床研究中未观察到ADI-PEG20明显增加化疗不良反应的情况。目前，尚有两项ADI-PEG20应用于胸部恶性肿瘤的Ⅱ期临床试验（治疗小细胞癌的NCT01266018和治疗MPM的NCT02709512）正在进行中，期待有更丰富的结果，为胸部恶性肿瘤的治疗提供新的思路。