2018年11月7日，Nature 雜志刊登了一篇葛蘭素史克公司的科學家發表的科研論文，宣布設計合成了首個強效STING (Stimulator of interferon genes) 小分子激動劑，其可以特異且強結合STING蛋白，同時激活STING信號通路，從而起到神奇的抗癌作用，并解析了小分子激動劑與STING蛋白的復合物晶體結構，讓一些公眾號High了一把，將其與PD-1/PD-L1抗體藥相提并論（如：新型免疫療法問世！腫瘤多數適用！ 44位科學家共同宣布XX等）。STING激活劑的發展遠沒有某些自媒體描述的那么夸張，我們和大家分享STING的小分子調控研究現狀。
2008年至2009年，兩個中國課題組（武大舒紅兵院士、北大蔣爭凡教授）在內的四個課題組，各自報道了一個全新的蛋白STING (MITA, ERIS, MPYS, TMEM173)[1]。激活STING，導致I型干擾素 (IFN) 和其他細胞因子的表達。I型IFN在抗腫瘤免疫中有重要作用，啟示研究者利用激活STING活性作為抗腫瘤治療的新策略。生物學家的研究揭示了激活STING產生I型IFN的核心通路(圖1）
圖1. STING介導的IFNs核心通路
在這條通路中，STING是核心蛋白。上游細胞質中的雙鏈DNA結合環狀GMP-AMP合成酶 (cGAS)，催化合成cGAMP，以cGAMP為代表的天然的環狀二核苷酸作為STING的配體，結合于STING，引起STING構象變化和轉位，招募TBK1磷酸化IRF3，轉錄I型IFNs的表達。其中細胞質中DNA可以來源于DNA病毒等外源DNA，也可以來源于線粒體DNA、細胞核DNA。環狀二核苷酸可以是細菌的c-di-GMP、c-di-AMP、3', 3'-cGAMP和cGAS產物2', 3'-cGAMP。自然想到的是利用這些環狀二核苷酸治療腫瘤，但這些天然環狀二核苷酸與傳統小分子藥物差別很大，其分子量大于500，帶有兩個含負電的磷酸基團，其磷酸酯鍵容易被水解，這些因素一定程度上限制了其臨床應用。因此，研究者開發了抗水解的硫代CDN衍生物，其中2', 3'-c-di-AM(PS)2 (Rp,Rp), 代號MIW815，已經進入I期臨床。
2018年10月20日，默克公司在歐洲腫瘤內科學ESMO上透露，MK-1454作為單一療法的活性為零，但當與PD-1抑制劑Keytruda (pembrolizumab) 聯合使用時，確實達到了24％的部分緩解率，盡管這些患者之前沒有看到過檢查點抑制劑治療失敗[2]。
當然，基于CDNs改造的產物，細胞膜通透性一般不會很好。5, 6-二甲基占噸酮-4-乙酸 (DMXAA) 在動物模型上非常有效的殺腫瘤效果，極大的鼓舞研究者，相信STING激活劑有很好的抗腫瘤效果。遺憾的是DMXAA只靶向于小鼠STING蛋白 (mSTING)，對人STING蛋白 (hSTING) 無效 (mSTING與hSTING三維結構差異較大)。人們有理由相信，靶向hSTING的小分子激活劑，可以作為安全有效治療腫瘤的藥物。眾多研究組應用不同策略致力于發展hSTING小分子激活劑，有改造DMXAA、CMA的，有改造CDNs的，有高通量篩選的，也有計算機輔助設計的，陸續有幾篇零星工作報道小分子能夠激活過表達hSTING，但對內源hSTING響應很弱，個別活性不高的對內源hSTING通路有較弱激活活性的小分子，機制并不很清楚。例如2015年Tina M. Sali等人從51,632個化合物中實驗篩選得到一個小分子G10，能夠激活STING通路產生IFNβ，但原作者認為G10沒有靶向STING[3]；北京大學深圳研究生院的全軍民教授組2018年在ChemMedChem上發表的α-Mangostin，對內源的Hsting激活活性很弱，DSF實驗表明α-Mangostin能增加STING蛋白熱穩定性溫度，靶向STING[4]。當前仍然沒有很好的強效hSTING小分子激活劑報道。
直到2018年11月7日，Nature雜志報道葛蘭素史克公司發現的hSTING激活劑[5]（如圖2）。
圖2. GSK研發的hSTING強效激活劑[5]
這篇GSK的Nature論文里，他們通過SPR高通量競爭c-di-GMP篩選到弱競爭活性的binder化合物1，并解析了化合物1與STING蛋白的晶體復合物結構，基于復合物結構，將化合物1改造成二聚體得到化合物2，其結合親和力提高了近10000倍，化合物2能夠激活內源hSTING,EC50約為3 μM，比cGAMP強18倍。復合物晶體結構顯示，化合物2如設計一樣，結合于hSTING天然配體結合位點。基于化合物2設計得到代謝穩定的類似物化合物3，在小鼠模型中，化合物3強效抑制腫瘤生長并清除腫瘤，且在第13天停止給藥后直到觀察的第43天，依然看不到腫瘤發生，療效持久[5]！
STING小分子激活劑的開發一直進展緩慢，GSK的這項研究，為設計強效hSTING小分子激活劑的設計提供了實例。但必須指出的是，化合物2及其類似物只能結合于STING的open狀態，并不能結合于closed的全激活態，這一點與cGAMP很不一樣，暗示化合物2啟動STING激活后就解離了，或者，STING的激活態可能不限于結合cGAMP天然配體那樣的closed態。可能是這個原因，導致化合物2的最大激活倍數比cGAMP低約40%。化合物2的EC50比cGAMP 好18倍，化合物2的透膜性遠好于cGAMP是主要原因。
縱觀STING調控分子的專利，絕大部分是環狀二核苷酸類似物的化合物及應用專利，僅有默沙東的一件小分子化合物專利（化合物結構如圖2），而未見活性報道。從分子結構看，化合物類似物DMXAA，既能結合于STING open態，也能結合其closed態。hSTING小分子激活劑的研發，還有很長的路要走！我們期待默沙東小分STING激活劑的活性報道！
激活STING通路有利于抵抗病毒復制和抑制腫瘤生長，然而，慢性激活STING涉及單基因自身炎癥的發病機制，例如Aicardi-Goutières綜合征和嬰兒STING相關性血管病變。 此外，越來越多的證據表明STING在一系列更復雜的炎癥性疾病中的致病作用。而人STING V147L，N154S，V155M，G166E，D205S和R284M自激活突變被發現與細胞因子和趨化因子的過度產生而引起的全身性炎癥和自身免疫疾病相關。因此，STING是治療這些疾病的潛在目標。
2018年7月12日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）全球衛生研究所的科學家在Nature發表了他們發現STING共價抑制劑的研究論文[6](如圖3)。他們用細胞實驗篩選共價結合C91的抑制劑C-176和C-178。C88/C91棕櫚酰化是STING活化所必須的。這些抑制劑及其衍生物能夠減少人和小鼠細胞中的STING介導的炎性細胞因子產生。 動物實驗表明這些小分子拮抗劑減弱了小鼠自身炎癥疾病的病理特征。他們的工作揭示了STING可以在藥理學上被抑制的機制，并證明了針對STING治療自身炎癥疾病的療法的潛力。
盡管做了些衍生物，但是C-178這類抑制劑，活性最好的其IC50僅為0.5 μM（大概因為C88/91所處區域，沒有很好的小分子結合口袋），遠低于常見其他靶標共價抑制劑，而作者推測的共價機理，也極為罕見。這些限制了靶向STING C88/91共價抑制劑的臨床發展。很遺憾，作者沒有測試C-178對病人出現的STING自激活突變體（如V147L，N154S，V155M，G166E，D205S和R284M等）的抑制情況。STING自激活突變是STING依賴的自身免疫疾病中的一大類，靶向STING自激活突變體的藥物發現將有潛在治療前景。
圖3. STING共價抑制劑[6]
——小結與展望——
雖然環狀二核苷酸衍生物在臨床試驗中沒有效果，其與PD-1抗體聯用，還是看到一定的療效,而小分子STING激活劑的臨床效果，還未見報道。而溶瘤病毒抗腫瘤治療的快速發展，極大擠占了STING激活劑的空間。溶瘤病毒療法的發展，進一步佐證了激活cGAS-STING通路可以用于癌癥治療。特異強效hSTING激活劑的臨床效果還是很值得期待！
自身免疫疾病，當前的治療手段有限，與STING相關的自身免疫疾病，尤其是STING功能獲得突變造成的自身免疫疾病，STING抑制劑有很大應用前景。當前沒有強效STING抑制劑公開報道。
STING蛋白性質，生物學功能的深入研究，有助于靶向STING藥物發現。STING調控分子，反過來，可以是很好的工具，研究其生物學功能。期待更多的STING小分子調節劑的報道！
參考文獻：
[1] Li, Tuo, and Zhijian J. Chen. "The cGAS–cGAMP–STING pathway connects DNA damage to inflammation, senescence, and cancer." Journal of Experimental Medicine. 215.5 (2018): 1287-1299. doi: 10.1084/jem.20180139
[2] Esmo 2018-Adaptimmune gets the wooden spoon. http://www.evaluate.com/vantage/articles/news/snippets/esmo-2018-merck-co-fails-sting
[3] Sali, Tina M., et al. "Characterization of a novel human-specific STING agonist that elicits antiviral activity against emerging alphaviruses." PLoS pathogens. 11.12 (2015): e1005324.doi:10.1371/journal.ppat.1005324.
[4] Christensen, Kathrine B., et al. "Identification of plant extracts with potential antidiabetic properties: effect on human peroxisome proliferator‐activated receptor (PPAR), adipocyte differentiation and insulin‐stimulated glucose uptake." Phytotherapy Research. 23.9 (2009): 1316-1325. doi: 10.1002/cmdc.201800481.
[5] Ramanjulu, Joshi M., et al. "Design of amidobenzimidazole STING receptor agonists with systemic activity." Nature. (2018): 1. doi: 10.1038/s41586-018-0705-y.
[6] Haag, Simone M., et al. "Targeting STING with covalent small-molecule inhibitors." Nature. 559.7713 (2018): 269. doi:10.1038/s41586-018-0287-8.
作者：鄧小兵
編輯：孫翔宇
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