NRF2的活化—對於神經退行性疾病、心血管疾病和代謝疾病的治療

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NRF2(Nuclear factor erythroid 2-related factor 2)全名為核因子血紅細胞 2 相關因子 2,是NFE2L2基因的產物,它會穩定氧化還原代謝、蛋白質動態平衡(摺疊、運輸、降解)、發炎等因環境或內源性發生的反應。 因此,NRF2 以藥物活化是一種有前途的治療方法,用於氧化壓力和發炎為特徵的幾種慢性疾病,例如神經退行性疾​​病、心血管疾病和代謝疾病等。

NRF2(Nuclear factor erythroid 2-related factor 2)全名為核因子血紅細胞 2 相關因子 2,是NFE2L2基因的產物,它會穩定氧化還原代謝、蛋白質動態平衡(摺疊、運輸、降解)、發炎等因環境或內源性發生的反應。 因此,NRF2 以藥物活化是一種有前途的治療方法,用於氧化壓力和發炎為特徵的幾種慢性疾病,例如神經退行性疾​​病、心血管疾病和代謝疾病等。

圖1. 活化NRF2藥物的作用。

NRF2在體內的調控方式

NRF2 在各種細胞普遍都會表達,確保它們對氧化、發炎和代謝壓力的迅速保護反應。在正常生理條件下,NRF2 會快速更新,並且由泛素蛋白酶體系統不斷降解,呈現約 20-30 分鐘的半衰期。因此,在非活化條件下,低 NRF2 表現量提供了其靶基因的基礎表達。

NRF2 穩定性的主要控制由 E3 連接酶接頭 Kelch 樣 ECH 相關蛋白 1 (KEAP1) 施加。KEAP1 是一種同源二聚體蛋白。KEAP1 提供 NRF2 以通過由 Cullin3 和 RBX1 蛋白 (CUL3/RBX1) 形成的 E3 連接酶複合物進行泛素化,隨後的 NRF2 被蛋白酶體 26S 降解。

以藥物活化NRF2

所謂的“NRF2 活化劑”應該更準確地稱為“KEAP1 抑製劑”,因為它們的分子靶標實際上是 KEAP1。這些化合物可分為親電子試劑、蛋白質-蛋白質相互作用 (PPI) 抑製劑和多靶點藥物。

親電子化合物

藥物活化NRF2通常是親電的分子,通過氧化或烷基化共價修飾存在於所述富硫醇KEAP1蛋白的半胱氨酸殘基。半胱氨酸 Cys-151、Cys-273 和 Cys-288似乎對親電反應最敏感。其他敏感的半胱氨酸是 Cys-226、Cys-434 和 Cys-613。當需要由 NRF2 介導的保護反應時,這種“半胱氨酸代碼”會控制 KEAP1 的活性。

化合物類型作用機制疾病臨床試驗臨床研究編號
甲基巴多索隆 (Bardoxolone-methyl, CDDO-Me)合成三萜KEAP1-Cys-151 的親電子修飾糖尿病腎病第二階段NCT00811889
IgA腎病第二階段NCT03366337
CKD 與 1 型糖尿病相關
局灶節段性腎小球硬化
常染色體顯性多囊腎
慢性腎病第三階段NCT01351675
2型糖尿病
糖尿病腎病
肝病第一/第二階段NCT00550849
肝功能損害第一階段NCT01563562
健康
晚期實體瘤淋巴惡性腫瘤第一階段NCT00529438
NCT00508807
阿爾波特綜合徵第二/第三階段NCT03019185
肺動脈高壓第三階段NCT03068130
肺動脈高壓第三階段NCT02657356
慢性腎功能不全第二階段NCT01053936
2 型糖尿病
奧馬維洛酮 (omaveloxolone, RTA-408)合成三萜KEAP1-Cys-151 的親電子修飾線粒體肌病第二階段NCT02255422
弗里德賴希共濟失調第二階段NCT02255435
眼科手術後的發炎和疼痛第二階段NCT02065375
角膜內皮細胞丟失第二階段NCT02128113
眼痛
眼部炎症
白內障手術
黑色素瘤第一/第二階段NCT02259231
乳腺癌第二階段NCT02142959
富馬酸二甲酯 (Dimethyl fumarate)富馬酸酯KEAP1-Cys-151 的親電子修飾多發性硬化症得到正式認可的
銀屑病得到正式認可的
類風濕關節炎第二階段NCT00810836
成人腦膠質母細胞瘤第一階段NCT02337426
皮膚T細胞淋巴瘤第二階段NCT02546440
阻塞性睡眠呼吸暫停第二階段NCT02438137
慢性淋巴細胞白血病第一階段NCT02784834
小淋巴細胞淋巴瘤
ALKS-8700富馬酸酯(MMF-衍生物)KEAP1-Cys-151 的親電子修飾多發性硬化症第三階段NCT02634307
奧爾蒂普拉斯 (Oltipraz)有機硫化合物KEAP1-Cys-151 的親電子修飾非酒精性脂肪性肝炎第三階段NCT02068339
血吸蟲病得到正式認可的
肺癌第一階段NCT00006457
熊二醇 (Ursodiol)膽汁酸KEAP1-Cys-151 的親電子修飾膽汁淤積第二/第三階段NCT00846963
腹瀉第四階段NCT02748616
膽石症第三階段NCT02721862
原發性膽汁性肝硬化第四階段NCT01510860
Barrett 食管第二階段NCT01097304
低度不典型增生
慢性丙型肝炎第三階段NCT00200343
2型糖尿病第二階段NCT02033876
蘿蔔硫素 (Sulforaphane)異硫氰酸酯KEAP1-Cys-151 的親電子修飾精神分裂症第二/第三階段NCT02880462
第二階段NCT02810964
第二階段NCT01716858
慢性阻塞肺病(COPD)第二階段NCT01335971
異位性氣喘第一階段NCT01845493
自閉症譜系障礙第二階段NCT01474993
第二階段NCT02909959
第二階段NCT02677051
第二階段NCT02654743
第一/第二階段NCT02561481
健康第一階段NCT01008826
第一階段NCT02023931
黑色素瘤第一階段NCT01568996
哮喘第一階段NCT01845493
第一/第二階段NCT01183923
前列腺癌第二階段NCT01228084
乳腺癌第二階段NCT00843167
肺癌第二階段NCT03232138
環境致癌第二階段NCT01437501
酒精敏感性第二階段NCT01845220
老化第二階段NCT03126539
鼻炎,過敏第二階段NCT02885025
幽門螺桿菌感染第四階段NCT03220542
糖尿病,非胰島素依賴型第二階段NCT02801448
Sulforadex (SFX-01)蘿蔔硫素/α-環糊精複合物KEAP1-Cys-151 的親電子修飾蛛網膜下腔出血第二階段NCT02614742
乳腺腫瘤第一/第二階段NCT02970682
前列腺癌第一階段NCT02055716
NCT01948362
ITH12674褪黑素-蘿蔔硫素雜種KEAP1-Cys-151 的親電子修飾腦缺血臨床前PK沒有可用的臨床試驗
薑黃素 (Curcumin)KEAP1-Cys-151 的親電子修飾2 型糖尿病第四階段NCT01052025
糖尿病前期
胰島素抵抗
心血管風險
精神分裂症第一/第二階段NCT02104752
認知
精神病
急性腎損傷第二/第三階段NCT01225094
腹主動脈瘤
慢性腎臟疾病第二/第三階段NCT03262363
2 型糖尿病
Polymorphism 單核苷酸多態性(SNP)
阿爾茨海默氏病第一/第二階段NCT00164749
腫瘤第二階段NCT02944578
克羅恩病第三階段NCT02255370
慢性精神分裂症第四階段NCT02298985
輕度認知障礙第二階段NCT01811381
前列腺癌第三階段NCT02064673
嚴重抑鬱第四階段NCT01750359
白藜蘆醇 (Resveratrol)( E )-芪衍生物KEAP1-Cys-151 的親電子修飾2型糖尿病第一階段NCT01677611
結腸癌第一階段NCT00256334
慢性阻塞肺病(COPD)不適用NCT02245932
弗里德賴希共濟失調第一/第二階段NCT01339884
非酒精性脂肪肝第二/第三階段NCT02030977
非缺血性心肌病第三階段NCT01914081
子宮內膜異位症第四階段NCT02475564
慢性腎功能不全第三階段NCT02433925
代謝綜合徵 X第二階段NCT02114892
慢性亞臨床炎症第三階段NCT01492114
氧化還原狀態
阿爾茨海默氏病第二階段NCT01504854
第三階段NCT00743743
亨廷頓病第三階段NCT02336633
CXA-10硝基脂肪酸 (NFA)KEAP1-Cys-273 和 Cys-288 的親電子修飾急性腎損傷第一階段NCT02248051
肺動脈高壓 (PAH)第二階段NCT03449524
原發性局灶節段性腎小球硬化 (FSGS)第二階段NCT03422510

表1. 目前已在進行臨床試驗的NRF2活化藥物。

迄今為止最成功的 NRF2 活化劑是富馬酸酯富馬酸二甲酯 (DMF)(BG-12 或 Tecfidera,來自 Biogen),它已於 2013 年被 FDA 批准用於復發緩解型多發性硬化症 (MS)。此前,DMF 被授權用於治療銀屑病。DMF 顯示可減少外周 T 細胞的數量,CD8 +細胞比 CD4 +細胞對 DMF 更敏感。DMF 還減少 B 淋巴細胞總數,尤其是記憶 B 細胞,同時減少粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子、IL-6 和 TNF- α產生,導致 B 細胞反應的抗發炎轉變。

奧爾蒂普拉斯 (Oltipraz) 是一種 NRF2 誘導劑,可增強 GSH 生物合成和2期解毒酶,如 NQO1。Oltipraz 是一種很有前途的化學預防劑,處於3期臨床試驗中,用於治療非酒精性脂肪肝。

熊二醇 (Ursodiol)是 FDA 批准的用於治療原發性膽汁性肝硬化的藥物。雖然其細胞保護機制尚未闡明,但幾個研究小組表明,熊二醇對 NRF2 的上調誘導解毒和抗氧化機制,這在其治療效果中發揮作用。

幾種天然化合物已被確定為親電 NRF2 誘導劑,包括蘿蔔硫素、薑黃素、白藜蘆醇、槲皮素、染料木素,以及最近的穿心蓮內酯。例如,蘿蔔硫素 (SFN),一種在十字花科蔬菜中發現的異硫氰酸酯,已成功用於治療2型糖尿病患者 。由於 SFN 具有穿越血腦屏障的能力,因此它可以防止神經退行性疾​​病,正如在小鼠疾病模型中所證明的那樣。

關於急性腦損傷,SFN 顯示出通過降低梗塞率和上調 NRF2 和 HO-1 對大鼠缺氧缺血性損傷發揮保護作用。在神經退行性疾​​病模型中,SFN 證明了對神經元細胞中神經毒性 A β 1-42肽的保護能力。在體內,SFN 改善了阿爾茨海默病 (AD) 急性小鼠模型中的認知障礙。在帕金森病 (PD) 中,SFN 保護多巴胺能細胞免受 6-羥基多巴胺的細胞毒性作用。在 PD 的 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine 小鼠模型中,SFN 抵消了星形膠質細胞增生症和小膠質細胞增生症並減少了多巴胺神經元的死亡。為提高 SFN 的穩定性,Evgen Pharma 開發了一種環糊精製劑 SFX-01,該製劑正在進行2期臨床試驗,用於治療蛛網膜下腔出血。SFN 和褪黑激素的混合分子 (ITH12674) 被設計為具有雙重“藥物-前藥”作用機制,用於治療腦缺血。

另一種修飾 KEAP1 中的 Cys-151 並且還具有 ROS 清除活性的天然化合物是薑黃素,這是一種存在於薑黃 ( Curcuma longa ) 中的線性二芳基庚烷。它已被用於肥胖症,代謝綜合徵的治療,和糖尿病前期。此外,薑黃素已被證明可通過激活 NRF2 來抑制致癌物質的有害作用。

9-Nitro-octadec-9-enoic acid (OA-NO 2 ) 是一種具有抗炎特性的硝基脂肪酸。OA-NO 2與 KEAP1 的幾個半胱氨酸殘基反應,但主要與 Cys-273 和 Cys-288 反應,其活性似乎與 Cys-151 無關。CXA-10(10-nitro-9(E)-octadec-9-enoic acid)是 OA-NO 2的異構體,已證明對 CKD 的單腎切除脫氧皮質酮-高鹽小鼠模型有效。並且多項1期臨床試驗用於治療該疾病,2 期試驗用於治療肺動脈高壓和原發性局灶節段性腎小球硬化。

能夠與 KEAP1 相互作用的親電子化合物列表不斷增加。在最近的一項研究中,代謝物衣康酸酯被描述為 NRF2 活化劑,可將 KEAP1 的半胱氨酸 151、257、288、273 和 297 烷基化。一種可滲透細胞的衣康酸酯衍生物,衣康酸 4-辛酯,可防止脂多醣細胞毒性,從而提供抗炎反應。此外,該化合物是比 DMF 更有效活化 NRF2。其他一些例子是叔丁基氫醌、馬來酸二乙酯、TFM-735和一氧化氮。然而,這些化合物中的大多數還沒有超越概念驗證實驗,需要涵蓋很長的路來表徵它們的藥學特性、臨床安全性和在非傳染性疾病中的療效。

結論

NRF2/KEAP1 系統代表了一個非常有潛力的藥學靶點,可以控制許多以壓力和發炎為特徵的慢性疾病。目前確定了大量 NRF2 活化劑,主要是親電子性質,其中一些正在臨床開發中。NRF2 對細胞生理學的多效作用以及一些 NRF2 活化劑產生的潛在脫靶效應解釋了為什麼藥物開發進展緩慢。未來的工作應致力找尋對特定疾病具有良好藥代動力學以及藥效學特徵的化合物。

Activators and Inhibitors of NRF2: A Review of Their Potential for Clinical Development

參考文獻

Robledinos-Antón, N., Fernández-Ginés, R., Manda, G., & Cuadrado, A. (2019). Activators and inhibitors of NRF2: a review of their potential for clinical development. Oxidative medicine and cellular longevity2019.

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