教授，藥物化學專業博士生導師，江蘇省教學名師，中國藥科大學副校長。現擔任全國藥學專業學位研究生教育指導委員會副主任委員，國家基金委生命科學部通訊評議專家，教育部本科教學審核評估專家；江蘇省學位委員會委員；江蘇化學化工學會理事、有機化學專業委員會委員等學術職務。《藥學進展》執行主編，《中國藥科大學學報》編委。主要研究方向：新藥分子設計與合成研究、計算機輔助藥物設計、有機合成化學、藥物生物統計與計算藥學。主持完成多項國家、省部級課題，目前課題組在研國家自然科學基金10項，自主知識產權的抗急性髓細胞性白血病（acute myeloid leukemia，AML）臨床候選化合物，完成以FN-1501為代表的原創性科技成果轉化。獲得美國FDA“突破性藥物”（breakthrough）資格進入加速審批通道、臨床試驗許可和孤兒藥資格認證。目前，FN-1501作為治療AML的藥物已被美國FDA、澳大利亞和中國NMPA批準進入Ⅰ期臨床研究,有望彌補國內AML治療的藥物空白，為合理用藥和臨床試驗方案設計提供新的選擇，推動醫藥行業的創新發展，產生明顯的社會和經濟效應。迄今已培養博士研究生16名，碩士研究生90名，共發表SCI論文100余篇，獲得國內外授權專利9項，其中2個代表性藥物的研發歷程和工藝研究發表在J Me.Chem、Angew Chem-Int Edit、Org Lett等藥物研究知名期刊,為小分子創新藥物的研發提供重要的科技支撐。

博士，教授，藥物化學專業、藥學信息學專業博士生導師。江蘇省“青藍工程”優秀青年骨干教師（2008），江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人（2014）。美國密歇根大學（University of Michigan，AnnArbor）醫學院綜合癌癥中心訪問學者。主持和參與了國家自然科學基金，國家重大科技專項“重大新藥創制”等多項科研項目。申請國內專利14項，國際專利1項，授權3項；主編或參編學術著作和教材3本；在J Med Chem、Eur J Med Chem、J Chem Inf Model J等國際學術期刊發表SCI論文80多篇。2015年研究團隊發現的1.1類抗腫瘤新藥臨床前候選化合物以1.5億人民幣轉讓給上海復星醫藥，目前在美國、澳大利亞及中國大陸進行Ⅰ期臨床。

[摘要]RAS是人類癌癥中最常發生突變的致癌基因，而KRAS則是RAS家族中最常發生突變的亞型，其中多數為12位密碼子的突變。突變之后的KRAS使細胞的生長、增殖不受控制，進而導致癌癥的發生與發展。盡管經過了30多年的努力，但直接靶向KRAS活性位點的藥物開發均以失敗告終。由于KRAS與GTP的親和力極強，同時細胞中GTP濃度較高，以至于使KRAS成為“不可成藥”靶點。近期，針對突變的KRASG12C特異性共價抑制劑在臨床試驗中取得了突破性進展，為KRAS抑制劑的可成藥性提供了臨床證據。綜述KRAS的結構功能及其小分子抑制劑的設計和臨床研究概況，著重介紹具有代表意義的KRASG12C抑制劑和其作為抗腫瘤藥物的最新研發進展，為以KRAS為靶點的藥物開發提供研究思路。

KRAS蛋白（kirsten rat sarcoma viral oncogenehomolog）是RAS蛋白（rat sarcoma viral oncogenehomolog）家族中的重要一員，該家族的其他2個成員分別是HRAS蛋白（harvery rat sarcoma viral oncogenehomolog）和NRAS蛋白（neuroblastoma rat sarcoma viral oncogenehomolog），KRAS蛋白是由KRAS基因編碼的一種小GTP水解酶（smallGTPase），是細胞生存和生長的重要調節蛋白。近期各大制藥企業紛紛披露了KRAS抑制劑優異的臨床試驗結果，使得以KRAS為靶點的藥物開發進入爆發期，吸引了廣大研究者的注意。本文綜述KRAS的結構功能及其小分子抑制劑的研究進展，以期為抗腫瘤藥物的開發提供參考。

1KRAS蛋白概述

KRAS蛋白具有激活和失活2種狀態（見圖1），當KRAS與鳥苷三磷酸（GTP）結合時呈激活狀態，而與鳥苷二磷酸（GDP）結合時呈失活狀態。KRAS在激活和失活狀態之間的轉換受鳥嘌呤核苷酸交換因子（GEF）和GTP酶激活蛋白（GAP）調節。GEF催化KRAS與GTP結合，使KRAS處于激活狀態；而GAP使與KRAS結合的GTP水解成為GDP，進而使KRAS鎖定在失活狀態。

KRAS在大多情況下處于失活狀態，但其可以被上游的信號因子如表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）激活，激活后的KRAS可進一步激活下游的多條信號通路，如控制細胞生成的PI3K（phosphatidylinositol3-kinase，胞內磷脂酰肌醇激酶）-AKT（protein kinase B，蛋白激酶B）-mTOR（mammalian target of rapamycin，雷帕霉素靶蛋白）信號通路，控制細胞增殖的RAS（rat sarcoma viral oncogenehomolog，大鼠肉瘤病毒同源癌基因）-RAF（rapidly accelerated fbrosarcoma，快速加速的纖維肉瘤）-MEK（mitogen-activated protein kinase，分裂原活化蛋白激酶）-ERK（extracellular regulated protein kinases，細胞外調節蛋白激酶）信號通路，以及控制細胞因子釋放的Ral-GEF（ras related protein-guanine nucleotide exchange factor，ras相關蛋白鳥苷酸交換因子）信號通路（見圖2），這些信號通路在細胞生長、增殖和細胞因子釋放等方面具有重要作用。

KRAS是RAS家族中最常發生突變的亞型，KRAS突變大概占RAS家族突變總數的85%，HRAS和NRAS僅發生少量突變，多為個位數占比。KRAS在多種癌癥中均有突變（見表1），其中胰腺癌突變率高達90%，結腸癌和肺癌（大多為非小細胞肺癌）分別約占30%~50%和19%，膽管癌約占26%，小腸癌、皮膚癌、膀胱癌和乳腺癌等癌癥中也會發生突變。KRAS基因中最常發生突變的位點是第12、13和61位的密碼子，其中以12位密碼子的突變最為常見。突變后的KRAS會影響其與GAP蛋白的結合能力，從而抑制GAP誘導的GTP水解。隨著GTP酶水解能力下降，GTP逐漸積累，KRAS更易與GTP結合，進而使KRAS大多處于激活狀態。最終導致其下游的多條信號通路被激活，誘發惡性腫瘤的發生與發展。

2KRASG12C抑制劑的設計策略以及臨床研究進展

KRAS與GTP（磷酸化的GDP）結合時，KRAS活性構象蛋白表面的SwitchⅠ和SwitchⅡ處于閉合狀態。當KRAS與GDP結合時，不僅失去活性而且蛋白表面出現一些結合空腔（見圖3）。理論上，設計小分子靶向占據GTP結合位點，就可以使KRAS穩定在失活構象。但是由于KRAS蛋白表面非常光滑，且僅有一個與GTP結合的位點，再加之其與GTP的親和力非常強，細胞中GTP濃度非常高，使得直接靶向GTP結合位點的抑制劑極難發揮作用。盡管研究人員嘗試研發了多種競爭性GTP小分子抑制劑，但均未取得成效。

近年來，對KRAS突變體的共價抑制劑的研究取得了較大進展。KRASG12C是一種常見的KRAS突變，當12位甘氨酸突變為半胱氨酸后，有可能可以與小分子共價結合，因此研發與此半胱氨酸結合的變構位點（allosteric）抑制劑具有較好的開發前景。加州大注：P表示磷酸化，S為硫原子學的Ostrem等首次報道了具有一定活性的KRASG12C小分子抑制劑，驗證了研發共價小分子抑制劑的可行性，從此開啟了KRASG12C共價小分子抑制劑研發的新篇章（見表2）。

其中安進公司開發的AMG510在不到1年的時間里就獲得了良好的臨床結果，這也是首個公布臨床試驗數據的KRASG12C抑制劑，目前已經獲得美國FDA批準用于治療非小細胞肺癌以及結直腸癌。Mirati公司研發的KRASG12C抑制劑MRTX849在臨床試驗中也表現出良好的抗腫瘤活性。Wellspring公司研發的ARS-853表現出較好的細胞活性，但由于其藥代動力學性質差，不適合進行體內研究。隨后他們研發了喹唑啉類新母核抑制劑ARS-1620，其對KRASG12C顯示出較好的活性以及選擇性，可快速使腫瘤消退，具有極大的開發潛力。2019年5月，Wellspring公司宣布美國FDA批準了ARS-3248的臨床新藥研究的申請，強生公司將對其進行Ⅰ期臨床試驗。而勃林格殷格翰（Boehringer Ingelheim）的相關研究表明，BI-2852能以納摩爾級別與KRAS蛋白結合，且對攜帶KRAS突變的腫瘤細胞均有抗增殖作用。除以上KRASG12C小分子抑制劑外，還有多個制藥企業（如輝瑞制藥有限公司以及藥明康德新藥開發有限公司）未公開專利保護的化合物。KRAS這一曾經被認為“不可成藥”的靶點，迎來了新藥開發的熱潮。

3KRASG12C小分子抑制劑

3.1變構位點抑制劑

KRAS變構位點抑制劑主要是通過改變KRAS蛋白結構或干擾其與核苷酸交換因子（如SOS蛋白）形成的蛋白-蛋白相互作用而發揮作用。當前研究最多的是KRASG12C變構位點抑制劑，這些變構配體與KRASG12C的結合不會干擾鳥苷核苷酸底物位點，克服了KRASG12C與GTP結合力極強的缺點。本文將變構抑制劑按結構類型分為5類：氨基乙酮類、喹唑啉類、四氫吡啶并嘧啶類、吡啶并嘧啶酮類以及吲哚類。

3.1.1氨基乙酮類Ostrem等首次報道了KRASG12C特異性抑制劑，他們先通過二硫鍵碎片篩選得到了片段1，進一步結構優化得到了化合物2。化合物2和KRASG12C的共晶結構顯示（圖4所示），化合物2共價結合到Cys12巰基上，并延伸到臨近SwitchⅡ（S-ⅡP）形成的空腔，但S-ⅡP空腔并未被充分占據，更有效的共價結合基團可能有助于提高抑制劑活性。因此，研究人員設計丙烯酰胺和乙烯基磺胺等親電基團代替二硫基團，獲得了化合物3和4。在10μmol·L-1濃度下孵育24h，它們對KRASG12C的抑制率可分別達87%和100%。二者不僅能夠有效占據S-ⅡP，而且使KRAS更傾向于與GDP結合，從而使KRAS更多地處于非活性狀態。此外，化合物3和4對癌細胞也具有一定的抗增殖作用。該研究首次通過化合物與KRASG12C蛋白共晶體證明了占據S-ⅡP結合位點在KRASG12C驅動的癌癥中的應用，為KRASG12C特異性共價抑制劑的研究和開發提供理論指導。

由于化合物4的細胞活性不佳，Patricelli等在此基礎上開發了對非小細胞肺癌細胞株（H358）活性更優異的KRASG12C抑制劑。經延長化合物4的烯丙基酰胺得到了化合物5（ARS-107），其對KRASG12C突變的肺癌細胞有微弱的活性（IC50=63μmol·L-1），顯示出一定的抗肺癌細胞增殖潛力。此外，由于化合物5的苯環上5位氯對活性影響較大，對苯環進行結構優化獲得了化合物6（ARS-853），其活性得到了顯著提高（IC50=1.6μmol·L-1）。進一步分析化合物6與KRAS的共晶結構發現（如圖5所示），化合物6的丙烯基酰胺能與12位半胱氨酸形成共價鍵，且延伸到SwitchⅡ區域；芳香環占據疏水性區域，環丙基與周圍的氨基酸形成了較強的范德華力作用。細胞活性數據表明，化合物6能夠誘導細胞凋亡，延緩細胞生長，且對多種癌細胞具有抑制活性。此外，化合物6選擇性地與非活性狀態的GDP-KRAS結合，使KRAS鎖定在失活狀態。

3.1.2喹唑啉類ARS-853（化合物6）雖表現出較好的細胞活性，但其藥代動力學性質較差，不適于進行體內的藥效評估。此外ARS-853系列化合物結構修飾較為有限，限制了其進一步的藥效改善。該系列母核的鄰氨基酚和連接子區域是代謝位點，也是血漿穩定性和藥代動力學較差的主要原因。因此，Janes等將重點轉移到設計結構獨特的母核上，頭部丙烯酰胺直接連接氮甲基哌嗪，縮短連接子的距離，同時用喹唑啉取代鄰氨基苯酚，使其恰好占據疏水區域，開發了喹唑啉母核類化合物，克服了ARS-853的缺點，具有更好的成藥性特征。Wijeratne等首先從該專利中檢索到化合物8，細胞測試結果表明，化合物8對多種腫瘤細胞均展現出較好的抑制效果。

Janes等對化合物8的對應異構體9（ARS-1620）進行了更加深入的研究。從化合物9與KRAS的共晶結構發現（如圖6所示），化合物9的優勢構象更加剛性，與H95形成了額外的關鍵作用力。化合物9與KRASG12C的結合速率（1100±200mol·L-1·s-1）比化合物8快了近1000倍（1.2±0.6mol·L-1·s-1）。此外，化合物9的細胞活性（IC50=0.150μmol·L-1）也得到了很大的提高。進一步的體內研究揭示了其口服生物利用度高（F>60%）、藥理特性以及血液穩定性均較好。同時，該化合物對KRASG12C具有高效性和選擇性，可快速、持續地作用于體內靶點以誘導腫瘤消退。該研究提供了體內證據，揭示以ARS-1620為代表的新一代KRASG12C抑制劑的巨大治療潛力。

Zeng等基于S-ⅡP結合位點對專利化合物10進行了進一步的結構優化，得到了另一種喹唑啉類化合物。通過在喹唑啉2位引入氨基酰胺得到化合物11（1_AM）和12（2_AM）。與化合物10相比，化合物11可使GTP與KRAS的結合能力降低約80%，并能有效地抑制下游ERK的磷酸化。除此之外，氨基酰胺的引入還增強了對KRASG12C的選擇性。在化合物11的基礎上，將苯環換成萘環，同時保留氨基酰胺，得到了化合物13（3_AM）和14（4_AM），均具有較好的細胞活性（IC50分別為1.7和0.73μmol·L-1）。

3.1.3四氫吡啶并嘧啶類Fell等基于結構篩選得到了四氫吡啶并嘧啶類化合物15，在5μmol·L-1下化合物15對KRASG12C的抑制率僅為13%。進一步優化得到了化合物16，其在5μmol·L-1下的抑制率提高至99%，細胞活性為IC50=7.6μmol·L-1。鑒于嘧啶環2位對活性影響較大，在2位進行取代得到化合物17和18，化合物17與KRAS的共晶結構如圖7所示。與化合物16相比合物17和18細胞活性得到了明顯提升，IC50分別為540和70nmol·L-1。同時，二者能夠抑制KRAS下游效應因子（如ERK）的磷酸化。化合物18的體內藥效表明，腹腔給藥5d可使腫瘤迅速消退，25d后腫瘤完全消除。此外，基于LC-MS（液相色譜-質譜）的檢測顯示，給藥后，腫瘤組織中化合物18與KRASG12C的結合率可持續大于65%。最重要的是，小鼠對化合物18具有較好的耐受性，未出現體質量減輕或其他不良癥狀等副作用。因此，以化合物18為代表的四氫吡啶嘧啶類KRASG12C共價變構抑制劑具有良好的臨床應用前景。

近期，Mirati公司的四氫吡啶并嘧啶類KRASG12C抑制劑MRTX849（結構尚未公開）在臨床試驗中也表現出良好的療效。MRTX849最初是由Mirati與Array生物醫藥公司聯合發現的，具有優異的細胞活性，IC50高達1~20nmol·L-1。與報道的其他KRAS抑制劑相比，MRTX849具有抗腫瘤活性好、口服利用度高、半衰期長等良好的成藥特性。

3.1.4吡啶并嘧啶酮類2018年Lanman等報道了吡啶并嘧啶酮類專利化合物（如化合物19），其對具有KRAS突變的前列腺癌細胞顯示了優異的抑制活性（IC50=0.211μmol·L-1）。對其連接子區域以及疏水區結構優化得到了化合物20和21，二者細胞活性均有了顯著的提高（IC50值分別為0.054和0.012μmol·L-1）。安進公司基于此專利化合物合成了化合物22（AMG510），晶體結構表明，化合物22能很好地占據連接子區域，在疏水性區域能與周圍氨基酸形成關鍵作用力。目前已經公布了AMG510的臨床Ⅰ期試驗結果，在入選的34名患者中，大多表現出良好的緩解率，且較少出現副作用。基于以上良好的臨床結果，安進公司將會繼續推進AMG510單一療法和組合療法的發展計劃。

3.1.5吲哚類基于ARS-1620較好的體內療效，Shin等基于化學型進化技術篩選得到了化合物23，其對KRASG12C的結合速率（表觀速率常數kobs/[I]）為2mol·L-1·s-1。從化合物23與KRASG12C的共晶發現，SwitchⅡ處于閉合的狀態，H95、Y96和Q99形成了一個新的空腔，但23并未占據此位點。進一步結構優化得到了苯環母核24和吲哚母核25兩類，其結合速率分別為26mol·L-1·s-1和230mol·L-1·s-1，吲哚母核類25較化合物23活性有了100倍的提高。同時，二者對胰腺癌細胞表現了一定的活性（IC50分別為11.3和11.4μmol·L-1）。隨后對吲哚母核類優化得到了26，其結合速率高達2640mol·L-1·s-1，細胞活性也有了極大的提高（IC50=0.219μmol·L-1）。共晶結果顯示，四氫喹啉能很好的占據H95、Y96和Q99形成的空腔，因此活性有了較大的提高。

3.2催化位點抑制劑

催化位點抑制劑直接作用于鳥苷核苷酸底物位點，這些抑制劑通過與核苷酸競爭活性位點，破壞GTP/GDP與KRAS的結合，從而使其處于非活性狀態。長期以來，直接針對RAS活性位點的小分子抑制劑的開發一直受到KRAS與底物親和力強，以及細胞中核苷酸濃度極高的阻礙。但是近期報道的成功的共價激酶抑制劑，為解決KRAS競爭核苷酸位點的問題提供一種新的思路。

Lim等模擬GDP設計了第一個底物-競爭共價抑制劑化合物27。在1mmol·L-1GDP或GTP條件下孵育2h，化合物27與KRASG12C結合率>95%。氫交換質譜顯示，化合物27改變了核苷酸結合口袋的構象，誘導其處于類似于與GDP結合的非活性形式，從而影響RAS和RAF之間的蛋白-蛋白相互作用。

由于化合物27是一種二磷酸鹽化合物，其磷酸酐鍵易于水解，因此化學性質不穩定，膜穿透能力差。為了解決此問題合成了化合物28，化合物28的細胞通透性增強，具有一定的抗癌細胞增殖活性，同時KRAS依賴的AKT和ERK通路也被抑制。Xiong等對化合物27進行生物電子等排得到了化合物29，化合物29的化學穩定性有了很大的提高。盡管與化合物27相比其對KRAS的活性有所降低，但化合物29仍然是一個非常有前景的前藥化合物。

4組合療法

近期的臨床結果顯示，有些非小細胞肺癌患者已經出現了單藥療法的耐藥性，而AMG510對結直腸癌患者的部分緩解率只有不到10%。因此各大公司逐漸轉向組合療法，主要有：與程序性死亡受體1（programmed cell death protein 1，PD-1）免疫抑制劑聯用、與相關信號通路靶點抑制劑聯用以及與化療藥物聯用。

4.1與PD-1抑制劑聯用

研究表明，攜帶KRASG12C的非小細胞肺癌患者的PD-1表達水平較高，表明他們適合接受提高T細胞抗腫瘤活性的抗PD-1抑制劑的治療。Baraibar等研究了在KRAS突變的肺癌患者中，阻斷PD-1通路，增強CD8/CD3陽性T細胞腫瘤浸潤，顯示了腫瘤治療的優異效果。

Mirati公司指出MRTX849與PD-1抑制劑聯用可能具有協同效應。安進公司的小鼠實驗結果也表明，單獨使用AMG510時，在10只攜帶KRASG12C突變腫瘤的小鼠中，僅一只小鼠的腫瘤完全消退，單獨使用PD-1抑制劑的效果與此類似，但當聯合用藥時，10只小鼠中有9只攜帶的腫瘤長時間完全消退，且未出現復發。驗證了KRASG12C抑制劑與PD-1抑制劑聯用時，能夠增強抗癌效果。

4.2與相關信號通路靶點抑制劑聯用

同時抑制同一信號通路的不同靶點，或者不同的信號通路均可增強抗癌療效。基于這一策略，Christensen等研究了MRATX1257與相關信號通路靶點抑制劑聯用機制，為聯合用藥提供了思路。勃林格殷格翰公司近期將BI-2852與分裂原活化抑制劑（MEK抑制劑）聯用，用于治療胃腸道和肺癌。安進公司為了驗證AMG510是否也能與其他靶點產生協同效應，將AMG510聯合其他靶點抑制劑進行了相關實驗。結果表明，AMG510與人表皮生長因子酪氨酸激酶抑制劑（HER激酶抑制劑）、含Src同源2結構域蛋白酪氨酸磷酸酶抑制劑（SHP2抑制劑）以及MEK抑制劑均具有較強的協同作用。Misale等將KRAS抑制劑與PI3K抑制劑聯用也產生了較好的協同效果。Lu等也研究了SHP2抑制劑以及MEK抑制劑對KRAS突變腫瘤的作用。這些數據表明，與同一信號通路的不同靶點的抑制劑聯用，可以從源頭制約這一信號通路，同時可能消除旁路或者殘余信號傳導，有助于提高抗腫瘤效果以及防止耐藥性的產生。

4.3與化療藥物聯用

安進公司的研究人員首次嘗試了將AMG510與化療藥物卡鉑聯用。對荷有腫瘤的模型動物的研究表明，單獨使用AMG510和卡鉑時，均能顯著縮小腫瘤的體積，但是當兩者聯用時，腫瘤體積能更快更明顯地縮小，顯著增強了抗腫瘤效果。這一結果為在臨床試驗中使用這一組合療法提供了理論基礎。

延伸閱讀：PD-1/PD-L1：跨國藥企與本土藥企的較量

目前PD-1/ PD-L1類藥物已成為全球抗腫瘤單抗主流力量，自2014年獲批上市以來市場異常火爆。全球已上市的企業有默沙東、百時美施貴寶、羅氏、輝瑞、阿斯利康、再生元賽諾菲等，國內進口企業已上市的有百時美施貴寶、默沙東、羅氏、阿斯利康；國內本土企業已上...全文>>

5總結與展望

KRAS作為癌癥中最常突變的致癌基因，由于其蛋白表面沒有適合小分子抑制劑結合的口袋，導致直接靶向KRAS的小分子藥物開發在過去30多年里沒有重大突破。近年來的研究發現，在KRASG12C突變體中，存在著一個能夠被共價抑制劑結合的變構位點。小分子抑制劑通過與突變生成的半胱氨酸共價結合，將KRASG12C的構象鎖定在失活狀態，從而抑制KRASG12C突變體的活性。該發現使KRASG12C這一“不可成藥”靶點有了重大突破，受到了業界的廣泛關注。

目前已有多個KRASG12C抑制劑處于臨床階段。但臨床結果同時也表明，有些患者已經出現單藥療法的耐藥性。一些制藥企業開始轉向組合療法的探索，將KRASG12C抑制劑與其他抑制劑聯用顯示出較強的抑制腫瘤效果以及不易產生耐藥性的優勢，這對KRASG12C抑制劑的臨床試驗推進具有重要意義。

● 想回顧《藥學進展》編委會主辦和協辦過的精彩活動嗎？請戳這里！

→ 

→ 

→ 

→ 

→ 

→ 

→ 

→  

→  

→  

點一下你會更好看耶