STAT3概述- 信號轉導和轉錄激活因子(signal transducer and activator of transcription, STAT)是一大類具有細胞質內信號轉導和細胞核內轉錄激活雙重作用的蛋白，廣泛存在于哺乳動物細胞中，介導多種細胞內信號通路。盡管STAT家族成員高度同源，但功能卻千差萬別。STAT3是一種在多種組織中表達的信號分子。STAT3可被多種因素激活，包括細胞因子、生長因子、神經內分泌因素、缺血缺氧刺激等。作為一種功能多樣化的轉錄因子，STAT3能與大量的信號分子相互作用，并形成了多種細胞內外信號通路。STAT3參與了細胞的增殖、存活、分化和血管生成等多種生物學過程。在正常細胞中，STAT3通過磷酸化瞬時激活，將質膜上的細胞因子和生長因子受體的轉錄信號傳遞到細胞核。研究表明，持續激活的STAT3對于多種癌癥是必不可少的，比如乳腺癌和結直腸癌，這使得STAT3成為理想的藥物靶點。然而，STAT3在大多數人類癌癥中變得過度激活，通常與不良的臨床預后有關。STAT3通過信號轉導和轉錄激活參與了生物體內復雜多樣的生命活動，是當前的研究熱點，其在腫瘤領域的研究已經取得階段性的成果，STAT3作為多種腫瘤通路的匯合點，在腫瘤細 胞中持續大量表達，能夠促進腫瘤細胞增殖、抵抗細胞凋亡、介導原癌性炎癥和抑制抗腫瘤免疫等，STAT3在一定程度上已經成為腫瘤治療的重要分子靶點！
STAT3信號傳導及其在癌癥中的作用[1]
STAT3結構- STAT家族由七個成員組成，即STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B和STAT6。STAT3有兩種具有不同功能的剪接亞型，STAT3α和STAT3β。STAT3α的結構域完整，STAT3β與STAT3α相比在C末端缺失55個氨基酸殘基。STAT3β比STAT3α具有更好的特異性DNA結合活性。STAT3的主要作用是促進腫瘤生長和免疫抑制。編碼STAT3的基因位于人類17號染色體上，該蛋白質由770個氨基酸組成。
- 六個功能保守結構域：N末端結構域(NTD)：促進STAT二聚體的形成，使其隨后能夠與轉錄因子結合；螺旋卷曲結構域(CCD)，用于向受體招募STAT3以及隨后的磷酸化、二聚化和核轉位；DNA結合結構域(DBD)，用于識別和結合靶基因調控區域的DNA序列；連接結構域(LD)，將DBD連接到SH2域，確保DNA結構域的穩定性；SRC同源2結構域(SH2)：最高度保守的STAT結構域，用于招募和激活STAT3分子，通過與相對亞基中的磷酸化酪氨酸殘基相 互作用來實現STAT3分子的二聚化；轉錄激活結構域(TAD)：通過磷酸化來促進其他轉錄激活因子的組裝。
STAT3的結構示意圖[2]
STAT3信號通路- JAK/STAT通路是調節細胞功能最重要的信號通路之一，該通路中已鑒定出數十種細胞因子和生長因子，包括白細胞介素(IL)、干擾素和血管生成因子。IL-6是一種炎癥介質，在腫瘤微環境（TME）中，IL-6可由多種細胞產生，包括巨噬細胞、中性粒細胞、成纖維細胞和腫瘤細胞本身。IL-6可以直接引起癌細胞增殖，還可以促進TME中其他炎癥因子的產生，并招募大量免疫細胞。因此，IL-6是慢性炎癥和腫瘤進展的關鍵物質。響應IL-6刺激，JAK/STAT3通路被磷酸化，在人體內形成關鍵的IL-6/JAK/STAT3通路，參與類風濕關節炎、炎癥性腸病及許多人類癌癥的過程。目前，已鑒定出四個關鍵的JAK分子，即 JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。其中，JAK3僅在造血和淋巴系統的細胞中表達，而其余三種幾乎在所有細胞中表達。JAK包含七個同源結構域 (JH1-7)，并形成四個結構域：JH1、JH2、SH2 和 FERM。經典的IL-6信號通路由IL-6與膜結合受體IL-6受體 α (IL-6Rα) 和gp130介導，形成IL-6/IL-6R/gp130復合物，從而導致細胞內JAK激活。JAK蛋白與gp130的胞內結構域結合，導致gp130的酪氨酸殘基磷酸化，形成STAT3結合位點。STAT3識別并與磷酸酪氨酸對接位點結合后，附著的具有活性的JAK酶導致STAT3中705位酪氨酸的磷酸化，這促使兩個磷酸化的STAT3單體發生二聚化,并且進入細胞核,從而激活多種下游基因的轉錄。
IL-6/JAK/STAT3信號通路[2]
STAT3抑制劑研究進展- 鑒于STAT3在腫瘤發生發展中的關鍵作用，以STAT3為靶點進行藥物開發已成為近二十年來主要的藥物研究熱點之一。目前已有許多化合物被報道具有STAT3相關通路抑制活性，許多藥物已進入臨床。下圖顯示了目前處于臨床研究階段的部分STAT3抑制劑，適應癥包括肝癌、結直腸癌、黑色素瘤、白血病等多種疾病。
部分臨床階段的STAT3抑制劑[2]
美迪西案例- STAT3-HDAC雙靶點抑制劑由于腫瘤發生的復雜機制，通過藥物聯用同時抑制多個靶點是一種重要的抗癌策略。目前，以化療為代表的傳統方法仍然是治療癌癥的主要選擇。然而大多數化療藥物僅作用于一個靶點，治療一段時間后還可能會產生耐藥性。調節兩個或多個相關靶點的藥物可能會在癌癥治療中產生協同治療效果。因此，越來越多的抑制兩個特定靶點的療法在臨床研究中取得了成功。組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）是一類與腫瘤發生密切相關的表觀遺傳酶，在許多重要的細胞過程中起著重要的調節作用，包括細胞生長、細胞分化和細胞凋亡。多種HDAC抑制劑（HDACi）在體外對多種類型的癌細胞（包括結腸癌、乳腺癌和肝癌等）具有顯著的抗腫瘤作用。目前獲批的HDACi的適應癥主要集中在血液系統惡性腫瘤，如淋巴瘤和骨髓瘤。而HDACi 對人類實體瘤缺乏明顯的功效，這限制了其在更多腫瘤適應癥中的應用。最近研究表明，HDAC的抑制將通過級聯反應導致乳腺癌中相關藥物靶點STAT3的代償性激活，這可能會限制HDAC抑制劑在實體瘤中的抗增殖作用。本研究中科研人員將HDACi藥團與其他蛋白抑制劑結合起來，設計了一系列STAT3-HDAC雙靶點抑制劑，以提高針對固體腫瘤的療效。與BRD4-HDAC和JAK1-HDAC抑制相比，STAT3-HDAC抑制可能是一種有效的替代組合。科研人員選擇STAT3抑制劑紫檀芪 (Pterostilbene，PTE) 作為母體分子。PTE是從藍莓中提取的白藜蘆醇的天然二甲基化類似物。通過將HDAC抑制劑SAHA（伏立諾他）的藥效團摻入PTE中，合成了一系列具有STAT3-HDAC雙靶點抑制活性的強效紫檀芪異羥肟酸衍生物。
HDAC-BRD4-LIFR-JAK-STAT3信號級聯反應[3]
其中，Compound 14是一種出色的異羥肟酸酯衍生物，可直接與STAT3結合，具有強大的親和力（KD=33 nM），在體外有效抑制HDAC， IC50為23.15 nM。且Compound 14在體內外具有高效的抗增殖能力，抑制MDA-MB-231細胞（IC50=0.78 μM）和HCT116細胞（IC50=1.07 μM）。Compound 14在體外實驗中表現出良好的抗腫瘤活性，因此研究人員建立了小鼠同種異體移植瘤模型來評價Compound 14的體內抗腫瘤活性。Compound 14在劑量15 mg/kg組與對照組相比體積減少54%，瘤重減少53%。在劑量30 mg/kg組體積減少64%，瘤重減少62%。此外Compound 14沒有引起明顯的體重變化。實驗結果表明，Compound 14具有良好的安全性，是一種很有前途的抗癌化合物。在此項研究中，科研人員通過美迪西評估了Compound 14在SD大鼠中靜脈和口服給藥的藥代動力學(PK) 數據。下圖顯示Compound 14具有出色的整體PK曲線：靜脈注射Compound 14（2 mg/kg）后，穩態（Vss）的平均分布量為1.65 L/kg。平均血清除率 (Cl)為63.89 mL/min/kg。平均半衰期（T1/2）為0.47h。口服Compound 14（20 mg/kg）后，口服生物利用度（F）平均為5.81%，平均半衰期（T1/2）為0.88h。
Pharmacokinetics of Compound 14 in SD rats[3]
美迪西助力STAT3項目舉例- 2023年7月，宇耀生物自主研發的STAT3雙功能磷酸化位點靶向抑制劑——YY201臨床試驗申請正式獲得NMPA批準，適應癥為晚期實體瘤和復發難治性惡性血液腫瘤。宇耀生物科學家團隊一直專注于STAT3靶點的基礎和轉化研究，并借助AI技術首次發現并開發出了納摩爾級STAT3雙磷酸化位點抑制劑、全球領先的First-in-class小分子靶向藥物“YY201”。該藥物通過與STAT3直接結合，抑制STAT3的 Tyr705和Ser727雙位點磷酸化，抑制STAT3功能和阻斷下游信號傳遞，從而發揮抑制腫瘤作用。體外藥理學和藥效學研究表明，YY201與STAT3的親和活性在1-10納摩爾，在胰腺癌、三陰性乳腺癌、肺癌、急性髓系白血病、淋巴瘤等實體腫瘤和血液腫瘤的體外增殖抑制活性在1-10 nM，在多種體內模型中表現出顯著的抗腫瘤作用，極低劑量下可致腫瘤完全消退，藥代動力學和毒理學研究亦證實YY201良好的成藥性和安全性。美迪西作為宇耀生物的合作伙伴，為YY201提供了藥學研究服務（包括原料藥、制劑）、臨床前研究服務（包括藥效、藥代、安評）以及IND申報服務等，助力YY201成功通過IND 審批進入臨床試驗階段。
總結與展望- 作為眾多致癌信號通路的匯聚點，STAT3在調節抗腫瘤免疫反應中發揮著重要作用。STAT3在抑制關鍵的免疫激活調節因子的表達和促進免疫抑制因子的產生方面發揮著重要作用。目前，STAT3靶向藥物的開發已經進入深度開發階段。雖然目前市場上還沒有相關藥物，但已經凸顯出巨大的應用前景。未來會越來越重視以STAT3為靶點的藥物開發，不斷推出新的藥物開發技術，如PROTAC技術。STAT3-PROTAC既能抑制STAT3的功能，又能直接降解STAT3，在克服腫瘤耐藥性方面有很大優勢。因此，靶向STAT3信號通路已成為治療多種癌癥的一種有前途的策略！
- 參考文獻：
[1]Courtney Nicholas and Gregory B. Lesinski. The Jak-STAT Signal Transduction Pathway in Melanoma. Breakthroughs in Melanoma Research.
[2] Xin Li, et al. STAT3 Inhibitors: A Novel Insight for Anticancer Therapy of Pancreatic Cancer. Biomolecules. 2022 Oct 9;12(10):1450. doi: 10.3390/biom12101450.
[3] Yuhao Ren, et al. Discovery of STAT3 and Histone Deacetylase (HDAC) Dual-Pathway Inhibitors for the Treatment of Solid Cancer. J Med Chem. 2021 Jun 10;64(11):7468-7482. doi: 10.1021/acs.jmedchem.1c00136.
[4]Sailan Zou, et al. Targeting STAT3 in Cancer Immunotherapy. Mol Cancer. 2020 Sep 24;19(1):145.DOI: 10.1186/s12943-020-01258-7.
