新作用位点FPPS抑制剂及其抗胰腺癌活性研究

Recently we have described in Science Translational Medicine a combination therapy for the treatment of Kras-driven lung adenocarcinoma using a bisphosphonate and rapamycin, which is now being translated into clinic trials in Moores Cancer Center. About 97.7% pancreatic cancer also harbors activating KRAS mutations. However, the physicochemical properties of bisphosphonates limit theri use as anti-pancreatic cancer drugs. The molecular target of bisphosphonate drugs has been identified as farnesyl diphosphate synthase (FPPS). In this project we will develp non-bisphosphonate FPPS inhibitors with new binding mechanism. Carsonic acid, a novel FPPS inhibitor we recently discovered, will be modified to improve its inhibitory activity and drug-like properties. A state-of-the art 3D cell model will be used to evaluate the efficacy of FPPS inhibitors on microenvironment, proliferation and invasion of pancreatic cancer cells. Combination therapies with FPPS inhibitiors will be developed using the 3D cell model, and will be finally assessed in vivo using a KRasG12D/Trp53R172H model. The research will prompt the understanding of the roles of FPPS and isoprenoid biosynthesis in KRAS-driven pancreatic cancer.

近期我们在 Science Translational Medicine上 提出了双膦酸药物与雷帕霉素联合治疗KRAS突变肿瘤的策略。Moores癌症中心正在筹备基于该治疗策略的肺癌临床研究。胰腺癌（97.7%）也含KRAS突变，但双膦酸药物的局限性使其难以用于胰腺癌的治疗。双膦酸药物的作用靶点是法尼基焦磷酸合成酶(FPPS)。因此，本项目我们将在结构生物学研究的基础上，发展新作用位点的非双膦酸FPPS抑制剂以用于胰腺癌的治疗。我们将在鼠尾草酸的骨架上进行结构修饰，提高其酶抑制活性及成药性。同时，我们将建立胰腺癌3D微肿瘤阵列，评估FPPS抑制剂对胰腺癌细胞微环境及对胰腺癌细胞增殖及转移的影响，并基于此进行药物组合的筛选。最后我们将建立KRasG12D/Trp53R172H胰腺癌小鼠模型对候选药物进行体内评估。这些科学研究将为验证FPPS作为胰腺癌治疗靶点提供理论和实践支撑。

人源法尼基焦磷酸合酶(Homo sapiens farnesyl pyrophosphate synthase, HsFPPS)是治疗骨吸收相关疾病的靶标。许多体内外研究和一些临床试验结果显示HsFPPS有潜力作为新型的抗癌靶标。HsFPPS能被双膦酸有效抑制，但由于其细胞渗透差且软组织中的分布不良，所以并不适宜于软组织癌症治疗。因此，开发新型作用位点、非双膦酸类抑制剂实现软组织癌症治疗是该领域目前的研究热点。虽然已有多种结构多样的非双膦酸类抑制剂被发现和报道，但是目前却鲜有具有细胞水平活性或体内活性的抑制剂被发现。基于此，本研究发现了一类基于酚类二萜鼠尾草酸(carnosic acid, CA)骨架的新型HsFPPS非双膦酸类抑制剂，并在此基础上优化得到了多个在胰腺癌细胞系中表现出比双膦酸药物唑来膦酸更好细胞抗癌活性的抑制剂，药理学研究表明这类抑制剂细胞水平上的作用机制表现为HsFPPS依赖的抑制模式，初步的小鼠体内药效学研究首次证明这类非双膦酸抑制剂具有体内抗胰腺癌活性。CA从苗头到先导化合物的优化过程最终将其对HsFPPS的抑制活性提高了约100倍。同时分子水平抑制机理研究发现，这类抑制剂是一种慢解离型(slow dissociation)的抑制模式和非竞争性的别构位点抑制剂；细胞水平作用机制研究表明这类抑制剂主要通过抑制HsFPPS，导致Ras异戊烯化下调，进而诱导细胞凋亡。本研究中这一系列新型骨架、作用于别构位点的抑制剂的发现，拓展了HsFPPS非双膦酸抑制剂的种类，其新颖的分子水平抑制机制为发现更好的HsFPPS非双膦酸类抑制剂提供了全新的参考和思路，在胰腺癌细胞中的机制验证研究和小鼠体内初步的抗癌活性研究为使用天然产物衍生的抑制剂靶向软组织癌症中的HsFPPS铺平了道路，为癌症之王胰腺癌的治疗提供了一种有潜力的新型靶向策略。该工作以封面文章的形式发表的J. Med. Chem上。.与此同时，我们积极探索了FPPS抑制剂的其它用途，发现其可以作为疫苗佐剂，该工作以全文的形式发表在《细胞》上，这也是近年来国内药学在《细胞》上发表的第一篇文章。此外，另一工作还以全文的形式发表在Immunity（免疫学最高期刊）。.该项目共产生包括《细胞》、Immunity、J. Med. Chem上的 学术论文 5篇，另外还有 3份专利。