汇报人：研究生一年级 白海龙
今天与大家分享的是2023年4月27日发表在国际药物化学知名期刊Journal of Medicinal Chemistry（IF: 8.039，中科院医学I区，Top期刊）的一篇研究型论文”Structural Dynamics-Driven Discovery of Anticancer and Antimetastatic Effects of Diltiazem and Glibenclamide Targeting Urokinase Receptor“(DOI: 10.1021/acs.jmedchem.2c01663)，该研究基于结构动力学虚拟高通量筛选，发现临床用药地尔硫卓和格列本脲可通过阻断尿激酶受体相关通路抑制肿瘤生长和转移(图1）。地尔硫卓和格列本脲分别是常用的降压药和抗糖尿病药，具有高度的安全性和已知的药代药效动力学性质。本研究拓展了这两种传统药物新的潜在临床应用。
图1
通讯作者简介
徐芃，福州大学生物科学与工程学院教授，本科毕业于厦门大学化学系，硕士毕业于中科院福建物质结构研究所，导师为“国家杰青”黄明东研究员，博士毕业于丹麦奥胡斯大学分子生物学与遗传系，导师为Peter A. Andreasen教授。
黄明东，福州大学化学学院教授， “生物药光动力治疗技术国家地方联合工程研究中心”主任。于1993年获得美国俄勒冈州立大学博士学位，曾在美国Scripps研究所和哈佛大学医学院工作，曾经以项目负责人身份承担了美国NIH的RO1和美国心脏协会SDG等研究项目。
李金宇，教授、博士生导师，福州大学化学学院院长助理。2011年于荷兰阿姆斯特丹大学和法国里昂高等师范学院获化学与计算材料学双硕士。
研究背景
尿激酶受体（uPAR）：尿激酶受体是一种G蛋白偶联受体，也称为urokinase-type plasminogen activator receptor。它的主要功能是在体内调节纤溶酶原激活剂的活性，从而影响纤溶过程和细胞迁移。尿激酶受体在多种生理和病理过程中都具有重要作用，如血栓形成、癌细胞转移和免疫调节等。uPAR已被证实与癌症发展和转移密切相关。uPAR及其配体尿激酶型纤溶酶原激活剂（uPA）被发现在各种癌细胞表面过表达，如前列腺癌和乳腺癌细胞，但在大多数正常细胞中没有。在临床前研究中，对肿瘤细胞表面的uPA-u PAR相互作用的干预被广泛认为可以抑制癌症的增殖和侵袭。因此，阻断uPA-uPAR相互作用的分子被认为是有效的抗癌和抗转移药物，尿激酶受体已成为潜在的治疗靶点。
分子动力学模拟揭示Apo-uPAR的不同构象
为了探索apo-uPAR的构象空间以筛选抑制剂，研究首先对水溶液中的apo-uPAR进行了长时间(30 μs)的原子MD模拟。结果表明， DI结构域存在明显的波动，表面其具有较高的灵活性，并得到了4个apo-uPAR的构象群。这四个集群的占有率分别为45.9%、18.8%、17.8%和13.1%。upa结合袋的体积范围为423 ~ 857 Å。同时观察到upa结合袋的体积范围为423 ~ 857 Å（图2）。
图2. apo-uPAR的分子动力学模拟
uPAR小分子抑制剂的虚拟筛选和实验验证
基于动力学模拟的四个apo-uPAR构象，本研究使用Discovery Studio 2017 R2客户端中实现的CDOCKER模块对TargetMol Drug Repurposing Compound Library L9200(包括4,240个化合物，https:// www.targetmol.com/all-compound-libraries)进行了多次基于对接的虚拟筛选。对七个不同的评分函数进行共识分析，获得了29个潜在化合物进行实验筛选和验证。之后对筛选出的化合物进行表面等离子共振技术和ELISA实验进行验证评估（图3）。最后筛选得到3个显示出最高而且接近的亲和力:氟哌啶醇、地尔硫卓和格列本脲，它们都是临床处方药。在之前的研究中，氟哌啶醇已经被报道具有潜在的抗癌特性。相反，尽管地尔硫卓和格列本脲也与癌症治疗有关，但迄今为止，尚无研究报道地尔硫卓或格列本脲对肿瘤生长或转移的直接影响。此外，地尔硫卓和格列苯脲分别作为常用的降压药和降糖药，其药理特性研究充分，不良反应适中。因此，研究团队进一步研究了地尔硫卓和格列本脲的作用机制和抗癌作用。
图3. uPAR抑制剂的实验验证
地尔硫卓和格列本脲阻断uPA – uPAR相互作用
的分子机制
这里利用了对接和分子动力学模拟来揭示地尔硫卓和格列苯脲阻断uPA – uPAR相互作用的分子机制（图4）。动力学模拟结果表明，地尔硫卓和格列苯脲都稳定在upa结合位点，在uPAR -地尔硫卓配合物中，地尔硫卓与R53和R137的侧链建立了氢键，值得注意的是，地尔硫氮的苯环与由DI (L55和L66)和DII (L123, V125, L150和L168)残基组成的疏水区形成了疏水接触。格列本脲与uPAR形成两个稳定的氢键(G253的主链和K50的侧链)和一个瞬时氢键(N259的侧链)。此外，格列本脲的氯苯基分别与I261和H47侧链发生疏水和π堆积相互作用。格列本脲的中心苯环与E134的羧基之间的阴离子−π相互作用使得结合得到进一步的加强。
图4. 预测的uPAR与地尔硫卓和格列苯脲的结合模式
地尔硫卓和格列苯脲通过在体内外抑制uPA-uPAR
相互作用来抑制肿瘤的生长和转移
使用Transwell体外侵袭实验评估了地尔硫卓和格列本脲的抗转移作用，结果表明地尔硫卓和格列苯脲能够抑制多种多种肿瘤细胞的侵袭。进一步的实验表明地尔硫卓和格列本脲可以抑制体外血管生成，且这种抑制侵袭的作用式通过抑制u PAR介导的（图5）。动物模型也证明地尔硫卓可以有效的抑制肿瘤的生长和转移（图6）。组织病理学分析也提供了类似的定性结果。癌症移植小鼠的肺部血管周围显示出大面积的转移细胞。相比之下，使用地尔硫卓或格列本脲可显著抑制癌细胞的转移（图6I）。除了中度血管充血外，未观察到明显的不良反应，这可能是由于地尔硫卓的血管扩张作用所致。因此，地尔硫卓和格列苯脲在体内均表现出抑制肿瘤生长和转移的高效能。值得注意的是，在临床使用的剂量下，地尔硫卓显著抑制肿瘤生长和转移，这一现象可能表明其在临床研究中的潜在价值。
图5. 地尔硫卓和格列苯脲的体外抗转移和抗血管生成作用
图6. 地尔硫卓和格列苯脲抑制体内肿瘤的生长和转移
总结：在这项研究中，研究团队采用基于结构动力学的虚拟筛选结合实验验证，发现了地尔硫卓和格列苯脲两种潜在的抗癌和抗转移药物。研究团队首先进行了长时间尺度的分子动力学模拟，获得了四个具有代表性的构象，并将得到的具有代表性的构象作为靶标，来进行基于对接的虚拟筛选，结合实验验证，发现地尔硫卓和格列苯脲与uPAR有较强的结合。此外，这两种化合物可在体内外通过抑制uPA-uPAR相互作用来有效的抑制肿瘤的生长和转移。这项工强调了apo-uPAR构象的复杂性，并有力地证明了结构动力学对于基于对接的虚拟筛选的重要性。最后提供了两种有效的uPAR抑制剂，而且对地尔硫卓和格列苯脲的抗肿瘤和抗转移作用进行了验证性研究。
苏公网安备 32059002002276号
