斯坦福大学发现为癌细胞提供燃料的靶向酶

摘要：斯坦福大学医学研究人员发明了一种分子IGUANA，可以阻断ALDH1B1酶，这种酶被认为是导致结肠癌复发或化疗耐药的重要因素。

IGUANA能够抑制ALDH1B1酶，众所周知，这种酶在结肠癌和胰腺癌患者中过度活跃。

斯坦福医学研究人员创造的分子揭示了被认为与结肠癌复发和化疗耐药性有关的细胞的秘密。它们也可能成为新的靶向抗癌药的跳板。

据《Nature Chemical Biology》7月4日报道，这些分子可针对一种被称为ALDH1B1的酶，这种酶在结肠癌和胰腺癌患者中过度活跃。先前在小鼠中的研究已经证明ALDH1B1通过特异性作用于癌症干细胞在胰腺肿瘤发展中发挥作用。针对癌症干细胞的治疗可能对预防癌症复发和化疗耐药尤其关键。

图1 《Nature Chemical Biology》研究结果

化学与系统生物学、发育生物学和化学教授、作者James Chen博士说，关于癌症干细胞的普遍共识是，这些生长缓慢的细胞可以产生肿瘤中所有其他类型的细胞。

“当肿瘤对以分裂较快的细胞为目标的化疗产生反应时，缓慢分裂的茎状细胞群可以持续存在，这是肿瘤复发和化疗耐药性的基础，”Chen教授说。

他说，如果ALDH1B1是癌症干细胞存活所必需的，那么一种破坏其功能的药物可能是一种有效的治疗方法。这种药物的一个优势在于其精准性:虽然化疗可以杀死快速分裂的细胞，包括健康细胞，但针对ALDH1B1等特定蛋白质的靶向治疗可以集中攻击癌细胞。但为了达到这个目的，科学家必须首先更好地了解ALDH1B1在癌症中的作用。

“没有人真正了解为什么ALDH1B1会促进结肠和胰腺肿瘤的生长，”Chen说。

现在，随着Chen和他的团队开发的分子，ALDH1B1在癌症中扮演的角色的谜团得以解开。到目前为止，还没有已知的分子专门针对ALDH1B1——一个19种酶家族的成员，称为醛脱氢酶，或ALDHs。在健康的细胞中，ALDH酶帮助去除积聚在细胞内的醛类毒素。

一些ALDHs家族成员已知在癌细胞中过度生产，而且每个家庭成员似乎都有自己的癌症龛位，例如，一个ALDH家族成员与卵巢癌有关，另一个与结肠癌有关。但ALDH酶在癌细胞中作用的细节尚不清楚。

“研究这种酶很困难，因为它们的结构很相似，其中许多具有相似的生化功能，”Chen团队的博士后Zhiping Feng说，他指的是ALDH酶家族。Feng, Chen和同事们开发的新分子是一个靶向ALDH1B1而不影响其他ALDH家族成员的分子。

如果不是偶然的发现，这一生化上的突破可能被错过。一开始，Chen的团队在寻找一种分子，这种分子可以阻断另一种促进癌症生长的途径。在测试了30多万种合成化合物后，该团队认为他们找到了一个很好的候选化合物来实现起初的目标。出乎意料的是，他们发现他们的候选分子与与癌症无关的ALDH家族成员相互作用。考虑到ALDH家族在结构和生化上的相似性，研究小组想知道候选分子和其他类似的分子是否可以阻止与癌症有关的其他ALDH酶的活性。

“让我们惊讶和满意的是，我们的一种分子优先靶向ALDH1B1，”Chen说。尽管ALDH1B1与该团队开始研究的途径无关，但他们继续研究这种酶以及阻碍其功能的分子。

接下来，研究小组试图优化这些分子，提高它们抑制ALDH1B1功能的能力，同时减少细胞中的副作用。Feng说:“我们花了近两年的时间才完成建筑。我们测试了很多不同的化合物，有些根本不起作用。”

该团队解决了ALDH1B1的第一个X射线晶体结构，这使他们能够检查候选分子和酶之间的原子级相互作用。然后，他们利用这些发现来指导分子的化学修饰，后来测试了100多个不同版本的分子阻断ALDH1B1活性的能力。在这些研究过程中，研究小组还必须改变候选分子的分子骨架。原始分子的主干在线粒体中引起毒性副作用，而线粒体正是ALDH1B1发挥作用的细胞位置。研究人员发现，一种形状相似的替代结构避免了这种毒性。研究小组根据这些来之不易的候选分子的化学结构和对ALDH1B1的攻击，将其命名为:乙醛脱氢酶的异形选择性胍基拮抗剂(IGUANAs)。

为了了解结肠癌干细胞是否需要ALDH1B1才能存活，研究小组在基于细胞的测试中使用了IGUANAs。一项测试表明，IGUANAs停止了实验室中生长的结肠癌细胞中ALDH1B1的活性。在另一项测试中，该团队研究了ALDH1B1在干细胞样结肠癌细胞中的功能。

图2 ALDH1B1在干细胞样结肠癌细胞中的功能

在这项测试中，结肠癌细胞分别生长在传统的单层和被称为球状体的三维球体中，这种球体需要类干细胞细胞才能存活。当添加IGUANAs阻止ALDH1B1活性时，富含干细胞的球形培养细胞死亡，而单层细胞培养基本不受影响。

“这证实了[ALDH1B1]参与干细胞的怀疑，”Feng说，“并表明ALDH1B1对支持癌症干细胞的生存或维持是重要的。”

为了探索ALDH1B1是如何促进结肠癌干细胞存活的，研究小组观察了当ALDH1B1被IGUANA或遗传方法阻断时，结肠癌细胞中的其他基因是如何受到影响的。活性ALDH1B1的缺失降低了参与线粒体能量生产的基因的活性，以及被称为核糖体的关键细胞结构的功能。Chen说:“这些发现加强了人们对线粒体代谢和某些核糖体功能有利于癌细胞中干细胞状态的日益增长的认识。”

陈说，IGUANAs可能成为一种靶向抗癌药，可以独自发挥作用，也可以与化疗结合。在这项研究中，研究小组表明，IGUANAs能够抑制来自患者的结肠癌细胞的生长，但对非癌细胞几乎没有影响。在另一项实验中，研究小组使用了IGUANA和氟尿嘧啶(一种结肠癌的主要化疗药物)的混合物，并发现这种混合物比单独使用氟尿嘧啶更有效地杀死结肠癌球形细胞。IGUANAs甚至能阻止耐氟尿嘧啶的癌细胞形成富含干细胞的球状体。

Chen说，研究团队的下一个目标是进一步了解ALDH1B1在癌细胞干细胞中的作用，并获得适合用于药物开发的ALDH1B1阻断分子。后者的努力现在得到了斯坦福创新药物加速器的支持。他的团队还希望创造出能够扰乱ALDH家族成员的分子，这些成员与其他癌症有关。

“我们希望通过在斯坦福大学的研究获得的基本见解将扩展到新的临床疗法，”Chen说。

这项工作得到了斯坦福SPARK转化研究项目和美国卫生研究院的支持。

[1]Targeting colorectal cancer with small-molecule inhibitors of ALDH1B1