癌症免疫治療候選發展藥物DBPR22998—以CD47-SIRPα Axis作為標靶之新型麩酸胺環化同工酶(IsoQC)抑制劑

CD47與SIRPα產生交互作用進而抑制巨噬細胞吞噬效應之生物機轉
CD47是一種表現於正常細胞的蛋白質,用來當作一個免疫檢查點 (immune checkpoint) 抑制由巨噬細胞攻擊所引起的宿主細胞破壞。CD47亦經常高表現於癌細胞表面,通常被認為是癌細胞免於宿主免疫系統攻擊的保護性受體。最近一項研究顯示,T細胞與樹突狀細胞(DC)可以透過CD47阻斷作用發揮抗腫瘤的效應。巨噬細胞發揮吞噬效應需要二個訊號同時作用,一個是活化標靶細胞表面的「eat me」訊號,另一個是去活化標靶細胞表面「don’t eat me」訊號,缺少其中一個訊號都不足以引發吞噬效應的發生。越來越多的證據顯示,CD47屬於一類「don’t eat me」訊號,透過與巨噬細胞表面的SIRP-α相互結合抑制巨噬細胞的功能。CD47作為癌症治療的標靶具有以下二大優勢:一、CD47廣泛地表現於各種癌細胞表面,因此可用於治療各類型的癌症;二、由於正常細胞缺乏「eat me」訊號,只有阻斷CD47並不能引發巨噬細胞對正常細胞的吞噬效應,因此CD47阻斷劑的副作用也很小。另外,CD47上的焦麩胺酸環化作用(pyroglutamation)對CD47與SIRPα的結合很重要,麩酸胺環化同工酶(glutaminyl cyclase isoenzyme或isoQC)是一種位於高基氏體的麩酸胺環化酶,該酶可催化受體蛋白氮端上的麩胺酸殘基(glutamate residue)及麩酸胺殘基(glutamine residue)進行環化反應轉變成焦麩氨酸殘基(pyroglutamate residue或pGlu)。

文獻報導,透過isoQC的抑制劑及回復(rescue)實驗證實isoQC可以透過酶調控CD47的焦麩胺酸環化作用。分析CD47的胺基酸序列及isoQC受體的胺基酸序列發現,CD47是isoQC的潛在受體;進一步利用質譜證實CD47的氮端存在麩醯胺酸環化修飾。結合CC2C6以及B6H12二支不同CD47抗體的實驗結果,以及特異識別麩醯胺酸環化修飾抗體的實驗結果皆可證實CD47氮端的Glu可被isoQC修飾為pGlu

 另一方面,CD47亦是訊號調節蛋白α(signal regulatory proteinα或SIRPα)的受體,SIRPα主要表現於吞噬細胞,例如:巨噬細胞與樹突狀細胞,CD47可與SIRPα結合產生交互作用,並且在二個細胞間傳達或傳遞「don’t eat me」的訊號,進一步抑制巨噬細胞的吞噬作用1,2(圖1)。該研究還透過CD47-SIRPα結合實驗證實isoQC可調控CD47-SIRPα的結合1,2(圖1)。透過共培養巨噬細胞和腫瘤細胞發現,isoQC可抑制巨噬細胞對腫瘤細胞的吞噬。TCGA數據證實isoQC在多種腫瘤中呈現高表現,同時相應患者生存周期顯著縮短,且經過全基因組篩選發現isoQC是CD47-SIRPα通路中重要的調節因子,其在腫瘤的免疫治療中可以作為一個潛在的藥物標靶。

圖1:(A) IsoQC可以調控CD47與SIRPa 的結合產生交互作用;(B) CD47與 SIRPa結合產生「don’t eat me」訊號可以抑制巨噬細胞之吞噬作用(此圖修改自:https://www.nsfc.gov.cn/csc/20340/20343/39100/index.html

新型小分子IsoQC抑制劑DBPR22998之研究與發展
此項計畫主要研發的目標是以CD47-SIRPα axis作為標靶,開發新型強效口服用之小分子isoQC抑制劑,利用這類新型的isoQC抑制劑可以有效的抑制isoQC的酵素活性,進而減少腫瘤細胞表面上CD47與SIRPα的結合以及「don’t eat me」的訊息傳導,增強巨噬細胞的吞噬作用進而達到治療癌症的效果,以作為癌症免疫治療藥物。中央研究院生物化學研究所王惠鈞院士多年來致力於麩酸胺環化酶(QC & isoQC或QCS)的研究,是全球第一位解出麩酸胺環化酶蛋白質晶體結構的專家學者3,4(圖2),其中有關麩酸胺環化酶重組蛋白的製造、純化、量產5以及其蛋白質晶體結構已在多國申請專利保護6,7。本院生技與藥物研究所研究團隊為開發新型癌症免疫治療藥物積極與王惠鈞院士實驗室合作,研究以電腦分子模擬為輔助,利用各種生物結構資訊(潛力化合物與麩酸胺環化酶結合之三度空間立體結構)進一步設計與合成isoQC抑制劑;目前已成功開發出一系列新型強效isoQC抑制劑(Ki < 10 nM)並建立完整的結構與活性關係(SAR)。基於CD47在多種腫瘤細胞表面過度表現,研究團隊利用此一系列的新型強效的isoQC抑制劑進一步驗證具有過量CD47表現的腫瘤細胞株,其中包含Raji與Ramos人類B細胞淋巴瘤細胞株、DLD-1人類結腸直腸癌細胞株、FaDu頭頸癌細胞株,以及SKOV3人類卵巢癌細胞株。

圖2:QCs的蛋白質晶體結構(crystal structure of human sQC at 1.66 Å resolution)

此外,研究團隊利用流式細胞儀的分析方法(flow cytometry-based assay)驗證此系列的isoQC抑制劑是否可調控這些腫瘤細胞表面上CD47與SIRPα的結合。實驗數據證實,新型的isoQC抑制劑在10μM的濃度下能夠選擇性地抑制抗CD47抗體CC2C6(可以辨識在細胞表面上人類SIRPα結合位點的抗體)與CD47的結合,並且可以有效地降低腫瘤細胞表面上CD47與人類SIRPα-Fc蛋白質的相互作用。經過嚴格的藥物篩選之後,研究團隊亦發現DBPR22998不但是一個可以口服的新型小分子isoQC抑制劑,也可有效地調控CD47-SIRPa「Do not eat me」癌症免疫檢查點活性。實驗證實DBPR22998同時具有picomolar等級的isoQC抑制活性(Ki = 0.55 nM)以及非常優異的藥物動力學特性與良好的口服吸收效果。在多種具有CD47過量表現的腫瘤細胞株中顯示,DBPR22998可以有效地抑制CD47與SIRPα-Fc蛋白質的相互作用,其中包含Raji人類B細胞淋巴瘤細胞株、DLD-1人類結腸直腸癌細胞株、FaDu頭頸癌細胞株以及SKOV3人類卵巢癌細胞株,並且在人類monocyte-derived巨噬细胞中證實具有抗體依賴性細胞吞噬作用(antibody-dependent cellular phagocytosis)。在不同的固態腫瘤以及血液腫瘤動物模式實驗中證實,DBPR22998與治療性抗體合併使用可以有效地增強抗腫瘤藥效。其中,Raji人類B細胞淋巴瘤動物模型實驗結果顯示,DBPR22998與抗CD20抗體rutiximab合併使用之抗腫瘤藥效比rutiximab單獨使用更具優勢與療效,不但腫瘤體積減少超過百分之七十,平均生存時間從28天延長至47天。另一方面實驗更證實,DBPR22998具有比目前正在進行臨床試驗藥物更強的isoQC抑制活性以及抗腫瘤藥效。

此項計畫之化合物專利(麩酸胺環化酶抑制劑)已獲得美國(US10,584,120B2)、中華民國(TW I715156)、日本(特許第7035275號)、韓國(KR 10-2405760)、澳洲(AU2019333295)等5個國家之專利核准,其他國家如中國、加拿大、新加坡、印度、歐洲之專利申請亦正進行中。另外,此項計畫之癌症適應症專利更也已在美國、台灣、澳洲、日本、韓國、中國、加拿大、新加坡、印度、歐洲等國家或地區提出正式專利申請,達成新藥探索階段之里程碑。

 

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文/圖:生技與藥物研究所顏婉菁研究員及陳志豪副研究員

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