天然产物在癌症治疗上的应用：过去，现在，将来

原文作者：Min Huang1,2 · Jin‑Jian Lu3 · Jian Ding1,2

摘要：天然产物具有显著的化学多样性，半个多世纪以来，人们对其抗癌潜力进行了广泛的研究。在社会各界的共同努力下，将天然产物应用于临床已取得就、重大进展，并发现了新的治疗方案，但仍需面临挑战。随着癌症治疗格局的显著变化和尖端技术的作用日益增强，我们可能已经走到了一个十字路口，需要重新审视理解天然产物和探索其治疗效用的策略。本文综述了以天然产物为中心的癌症研究的主要进展，并呼吁采用系统的方法、新的药理模型和探索新的方向，以振兴癌症治疗中的天然产物研究。

关键词：天然产物；癌症疗法；药物研发；抗体-药物结合物；联合疗法

由于自然界中的天然产物多具有显著的化学多样性，因此被认为是具有治疗潜力的生物活性化合物的丰富储藏库。在过去的几十年里，人们做出了巨大的努力，从微生物、植物和其他活的有机体中分离出新的天然产物，评估它们的抗癌特性，并探索其作用机理。这些努力使得许多抗癌新药物得以发现。据估计，在1981年至2019年期间，所有新批准的抗癌药物中约有25%与天然产品有关[1，2]。同时，已有无数具有抗癌潜力或独特结构优势的化合物被报道用于药物开发。

尽管取得了这些成就，但将生物活性天然产物开发成药物仍然面临挑战，部分原因在于大规模分离、机理解释和药物开发的困难。因此，世界各地的主要制药公司都减少甚至取消了在天然产品上进行药物研发的努力，转而主要依赖于大量的化学合成化合物或生物制品。近年来，随着癌症治疗知识和创新技术的爆炸性增长，使得克服提高药物发现效率、揭示天然产物的直接靶点、解决多方面药理作用的复杂性等方面成为可能。这篇综述主要描述了天然产物研究在概念和技术上的进展，希望为如何重新发现天然产物和重振抗癌药物发现提供见解。

癌症临床治疗中的天然产物：历史上的光荣

天然产物标志着抗癌药物发现的历史。一些广泛使用的抗癌药物来源于天然资源，如来自植物的伊立替康、长春花碱、依托泊苷和紫杉醇，来自细菌的放线菌素D和丝裂霉素C，以及海洋来源的博莱霉素。其中一些化合物仍然是癌症治疗的中流砥柱，并将在可预见的未来继续发挥关键作用。其中，喜树碱和紫杉醇无疑是最成功的两个例子，这两个例子都是在1950年至1960年代由美国国家癌症研究所(NCI)发起的一项发现天然产品治疗价值的运动中发现的[3，4]。与此同时，中国科学家在将三氧化二砷这一古老中医疗法引入急性早幼粒细胞白血病(APL)标准治疗方面做出了重大贡献[5]。

1.1喜树碱和紫杉醇

具有抗癌活性的喜树碱是从喜树的木头和树皮中分离出来的，其抗癌活性早在20世纪60年代初就被发现，但它作为抗癌剂的应用却停滞了近20年，直到它的作用机制被发现[6，7]。喜树碱能够特异性地捕获拓扑异构酶I，拓扑异构酶I是DNA复制和转录过程中的关键酶，并形成拓扑异构酶-DNA复合物。当这些复合体与正在进行的DNA复制分叉或转录机器碰撞时，可能会造成严重的基因组压力，导致细胞死亡[8]。这种独特的作用模式重新激发了人们对开发喜树碱类似物的兴趣，并着重于在改善其溶解性，降低毒性的同时保持其抗癌活性。20世纪90年代中期，两种喜树碱类似物拓扑替康(Topotecan)和伊立替康(Irinotecan)获得食品和药物管理局(FDA)的批准，用于治疗各种类型的癌症，包括卵巢癌、肺癌、乳腺癌和结肠癌。自20世纪70年代以来，与喜树碱相比毒性较低的10-羟基喜树碱，已被用于治疗肝癌、结肠癌和膀胱癌。

紫杉醇(紫杉醇)的故事没有太大的不同，但有更多的障碍，代表了一个典型的天然产品到达床边的旅程。第一个挑战来自化合物供应，就像天然产品经常出现的那样。紫杉醇最初是从短叶红豆杉树皮中分离出来的，这是一种有限的资源，只能产生很少的化合物。从10-DAB这类可以来自可再生的植物资源开始，通过商业上可行的半合成程序解决了治疗用途的足够量。复杂的化学结构是下一个障碍，直到1971年，在质谱、X射线晶体图谱和核磁共振光谱的共同协助下才得以解决，这一方法在今天相当常见，但当时仍处于初级阶段。紫杉醇的作用机制于1979年被报道。紫杉醇被发现结合微管并导致微管动力学功能障碍，导致癌细胞有丝分裂灾难。最后一个障碍来自较差的溶解性，通过一种由蓖麻油制成的特殊配方(市场名称为Cremophor EL)解决了这一问题，最终为紫杉醇进入临床试验铺平了道路。1992年12月，在首次报道其分离和结构20多年后，FDA批准其用于治疗难治性卵巢癌[3，4，7，9]。

即使在今天，喜树碱和紫杉醇的遗产也没有消失。后续工作产生了一系列新的喜树碱衍生物，这些衍生物具有更好的药物性能，其中一些已经进入临床试验。Chimmitecan，一种由中国科学院上海药物研究所的科学家开发的喜树碱衍生物，目前正在中国进行二期试验[8，10]。利用白蛋白结合纳米颗粒(NAB)技术，紫杉醇能够避开该制剂造成的严重毒性，并在肿瘤中浓缩[11，12]。

1.2三氧化二砷

几个世纪以来，砷一直是西方和中国传统医学中的一种古老的药物。从20世纪70年代开始，我国开始使用含砷药物治疗急性早幼粒细胞白血病(APL)，其形式为含砷和微量氯化汞的制剂(简称AILY-1)，拉开了用含砷药物治疗APL的序幕[13-16]。使用纯三氧化二砷的临床数据是在20世纪90年代中期开始报道的[17]。到目前为止，来自中国和西方国家的临床试验已经证实了三氧化二砷对急性早幼粒细胞白血病患者的显著益处[18，19]。从那时起，急性早幼粒细胞白血病就成了一种高度可治愈的疾病。维甲酸和三氧化二砷联合用药彻底改变了急性早幼粒细胞白血病患者的预后，治愈率达到惊人的90%[20]。随后深入的机制研究揭示了三氧化二砷通过降解APL致癌驱动因子PML-RARalpha;融合蛋白的作用机制。三氧化二砷以PML-RARalpha;的PML部分为靶标，通过泛素化-蛋白酶体系统特异性地诱导相扑依赖的降解[21-25]。

近30年的三氧化二砷之旅表明，临床医生和基础研究人员的共同努力，已将这种原始而神秘的“毒药”转化为一种作用机制已被熟知的现代化靶向疗法。此外，正如天然产品中经常出现的环一样，三氧化二砷独特的化学性质使我们能够更好地探索急性早幼粒细胞白血病的分子基础，从而为急性早幼粒细胞白血病的治疗提供了一种PML-RARalpha;降解策略，否则无法揭示这一策略。

天然产物在抗癌药物研发中的新进展

大多数天然衍生药物都是在1970-1980年代左右推出的。随着20世纪90年代小分子靶向肿瘤治疗新时代的到来，小分子药物开发的研究重点，无论是产业界还是学术界，都已转向合成化合物文库。这种范式的转变在很大程度上归因于在发现有效化合物、获得足够数量的化合物以及理解天然产物的分子机制方面遇到的巨大困难。尽管人们的兴趣在下降，但新兴的治疗概念和新技术共同培育了该领域的持续增长。

2.1抗体药物结合物：老药新用

随着20世纪90年代初分子靶向治疗新时代的到来，天然产物的研究重点也转移到了靶向治疗上。多类天然产品或其衍生药物正在进行临床试验。其中一个亮点是抗体药物结合物(ADC)，它通过化学连接物将单克隆抗体(MAb)和有效的细胞毒素结合在一个单一的分子实体中。这一策略利用单抗的靶向能力，通过抗体-抗原的相互作用来增强肿瘤特异性药物的传递，从而使正常组织免受传统化疗的细胞毒作用[26，27]。ADC在血液恶性肿瘤和实体肿瘤中的令人信服的临床结果激起了人们对该领域的新兴趣，这也为天然产品提供了一个滋养的平台。

开发适合ADC的弹头需要具备某些特性，包括：(1)与大多数已获批准的化疗药物相比，毒力显著更高，IC50值低于0.1 NM；(2)与mAb偶联的适当修饰位点，以实现足够的载药量；(3)在水溶液中具有合理的溶解度，以便与抗体发生反应；以及(4)在通常用于抗体的水制剂中保持较长的稳定性[27]。到目前为止，ADC中使用的细胞毒性弹头大多来自天然产物[1]，从机械上讲，天然产物可分为两大类：抗有丝分裂药剂和DNA损伤剂。抗有丝分裂药物通过破坏有丝分裂纺锤体分离染色体的能力或改变细胞的细胞骨架而产生细胞毒效应。用于ADC开发的两种最广泛使用的抗有丝分裂药物是基于Auristatins或Maytansinoid，它们的衍生物，如MMAE和DM1，已成功地用于临床批准的ADC(图1)。破坏DNA的细胞毒剂是ADC中经常发现的另一类毒素。N-乙酰卡利康星gamma;在ADC中很常见，用于健择单抗ozogamicin和inotuzumab ozogamicin。其他正在研究的细胞毒性弹头分子包括喜树碱、吡咯苯并二氮卓类、阿霉素、庆大霉素、双霉素等的衍生物。

Getuzumab ozogamicin是人源化抗CD33单克隆抗体与细胞毒性抗肿瘤抗生素Calicheamicin共价结合的结合物，于2000年首次被加速批准用于治疗CD33阳性的急性髓系白血病(AML)。该药于2010年退出市场，原因是该药未能在批准后的验证性临床试验中证明临床疗效。自2011年以来，已有9个ADC获准用于癌症治疗，其中60多个ADC正在进行临床试验[28]。Brentuximab vedotin于2011年被批准用于治疗霍奇金淋巴瘤和间变性大细胞淋巴瘤患者。它是抗CD30抗体和MMAE的结合物，MMAE是一种天然的抗微管剂。Ado-trastuzumab emtansine(T-DM1)是第一个被批准用于治疗实体瘤的ADC。它于2013年被FDA批准用于治疗HER2阳性(HER2蛋白过度表达或HER2基因扩增)转移性乳腺癌，此前曾接受过新辅助紫杉烷和曲妥珠单抗治疗。它通过稳定的硫醚连接物将抗HER2单克隆抗体曲妥珠单抗和天然衍生的抗微管剂DM1结合起来，从而可以选择性地将其输送到HER2阳性细胞中。最近，FDA批准了saituzumab Government itecitecan-hziy(IMMU-132)，一种针对trop-2的抗体和喜树碱衍生物SN-38的结合物，作为第一个用于治疗三阴性乳腺癌的ADC。

2.2天然产物中的分子靶向药物寻找

分子靶向疗法的出现重塑了癌症治疗的格局。随着该领域的发展，天然产物的研究兴趣已经被吸引到分子靶向药物寻找上来。这些努力产生了大量具有潜在抗癌活性的天然产物，尽管这些天然产物大多作为候选药物还不成熟，但它们为药物先导提供了多样化的化学支架。在天然产物研究界取得的进展中，中国科学家做出了贡献，特别是在植物和海产品方面。一大类植物生物活性物质已被确定可以针对癌症靶点起效(图2)。例如，从骆驼刺血藤的心材中发现的苏木素及其类似物是广谱蛋白酪氨酸激酶的ATP竞争性抑制剂，在纳摩尔范围内具有最高的IC50效力[29]。从蓝桉果实中提取的桉素A对HGF/c-Met轴有很强的抑制作用。蓝桉果实是我国西南地区广泛生长的一种植物，被发现具有很强的抑制HGF/c-Met轴的作用[30]。Pseudolaric acid B是从日本松树根皮中分离得到的一种二萜类化合物，它通过缺氧诱导因子1-alpha;(HIF-1alpha;)和c-jun之间的串扰作用发挥抗血管生成的作用[31，32]，是一种具有抗血管生成活性的二萜化合物。巴特内酯是一种倍半萜内酯，首先从药用植物铁线莲的嫩枝中分离得到，它对Wnt/beta;-catenin信号转导具有抑制作用，其机制可能与其对核糖体蛋白RPL10的作用有关[33]。此外，还发现一品红衍生化合物具有调节溶酶体生物发生的活性[34]。除了植物类药物外，海洋天然产物也是抗癌药物的另一个重要来源，特别是海洋无脊椎动物的抗癌药物。曲贝替丁是第一种来源于加勒比豆鳞片的抗癌药物，但其作用机制尚不清楚[35]。郭和他的同事从海洋裸目动物和它们的海绵猎物中发现了几种新的小梁醇类二聚异喹啉生物碱及其单体，同样显示出显著的抗癌活性。对这些化合物的进一步研究有助于发现NF-kappa;B的抑制机制，这为更好地理解Trabectein提供了线索[36]。除去生物碱，海洋多酮类化合物可能是很有希望的药物先导。例如，从海绵伴生真菌Ulocladium botrytis中分离出来的聚酮类化合物乌洛克拉多(Ulocladol)的功能导向合成，导致发现了一类丙酮酸激酶M2亚型(PKM2)的抑制剂[37]，这是一种与癌症密切相关的代谢酶。

毫无疑问，这里提到的只是冰山一角，但它让我们得以一窥该领域是如何从细胞毒药物逐渐演变到靶向治疗的。通过不断的努力，我们可以期待更多的天然化合物达到药物开发的后期靶向治疗，并最终进入临床应用。

2.3利用前沿技术促进力学研究

如今，癌症治疗中流行的精确药物强调了充分了解抗癌药物分子基础的必要性。然而，即使在今天，揭示天然产物的直接靶点或阐明其作用机制仍然是非常具有挑战性的。新兴的前沿技术，如化学蛋白质组学和多组学，有助于解决天然产物机械化研究中的障碍。

为了探索天然产物的直接靶点，人们开发了多种途径。经典的方法包括将天然产物固定在固体载体上，以亲和力为基础分离蛋白质靶标[38]，以及那些不需要化学修饰的方法，如细胞热位移分析或热蛋白组谱分析[39]。在各种方法中，化学蛋白质组学使能策略已经成为天然产物靶标鉴定的主导策略[40-42]。在本实验中，对天然产物进行衍生化以加入光亲和交联剂、双正交手柄和/或生物素富集手柄，以实现共价捕获和富集。基于活性的蛋白质图谱(ABPP)的竞争性化学蛋白质组图谱被用于绘制蛋白质组范围的靶标。例如，从印楝树中提取的抗癌萜类天然产物尼姆博莱德被发现与E3泛素连接酶RNF114中底物识别关键的功能性半胱氨酸反应，进而扰乱RNF114底物识别，导致泛素化抑制和肿瘤抑制因子如p21的降解[43]。同样，格罗斯曼等人也是如此。他们利用化学蛋白质组平台发现，含有黄酮A的抗癌天然产物以肿瘤抑制蛋白磷酸酶2A复合体的

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