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肿瘤抗原特异性CD8+T细胞是抗肿瘤免疫反应的重要组成部分。然而，许多癌症患者尽管显示出了内源性抗肿瘤T细胞反应，但仅靠这种程度的反应并不能完全清除肿瘤。研究发现，这种自发的免疫介导的肿瘤清除之所以失败，是因为免疫检查点抑制了肿瘤浸润T细胞的功能。以PD-1/PD-L1抗体为代表的检查点阻断疗法被证明在克服肿瘤诱导的T细胞抑制方面非常有效，然而，当患者本身缺乏自发T细胞反应时，检查点阻断疗法的疗效就会很差。而先天免疫激动剂可能能够促进肿瘤特异性CD8+T细胞的启动和招募，因此是一种极具治疗潜力的癌症免疫疗法。
环状GMP-AMP合成酶(cGAS)-干扰素基因刺激因子(STING)信号通路是一种胞质DNA传感通路，在先天免疫反应中起着关键作用。当肿瘤来源的DNA被胞质中的 DNA 感受器——cGAS识别时，cGAS 会催化连接两个核苷酸,形成环状二核苷酸(CDNs，如2′,3′-cGAMP)，之后CDNs 作为第二信使与STING结合并将其激活。STING下游的信号传导会导致抗原递呈细胞（APCs）激活以及炎性细胞因子的产生，进而促进T细胞的启动和招募。
基于STING在促进抗肿瘤免疫方面的重要作用，大量团队启动了STING激动剂的研发。科学家们认为，STING外源性激动剂可能具有触发先天免疫激活的潜力，进而在单药治疗或联合检查点阻断疗法使用时导致可控制肿瘤生长的适应性免疫应答。
部分处于临床及临床前开发阶段的STING激动剂
然而由于机体内STING天然的激活剂（配体）——环状二核苷酸（CDNs）是一类无法在血液中持续存在很长时间的、不稳定的分子，给基于这类分子来开发合成的STING激动剂带来了非常大的阻碍。由于第一代STING激动剂都是CDNs的衍生物，稳定性差，且系统性给药时也会诱导正常组织产生炎性细胞因子（STING在免疫细胞和非免疫细胞中广泛表达），因此，目前正在进行临床试验的基于CDNs的STING激动剂只能通过瘤内注射给药，这限制了它们的应用。为了攻克更广泛的癌症，科学家们正致力于开发可系统性给药且优先靶向肿瘤的稳定型STING激动剂。
8月21日，发表在Science杂志上的一项研究中，来自制药巨头默沙东的研究团队报道了他们所研发一款新型口服非核苷酸STING激动剂——MSA-2。MSA-2以非共价二聚体的形式与STING结合，诱导出封闭构象。疗效研究显示，MSA-2能够清除结直肠癌小鼠的肿瘤。在对PD-1阻断响应较差的肿瘤模型中，MSA-2联合PD-1抑制剂在控制肿瘤生长、延长生存方面优于单药治疗。
具体来说，在结直肠癌小鼠模型中，MSA-2通过瘤内、皮下或口服途径给药（下图）。结果显示，MSA-2耐受性良好，可诱导80%至100%接受治疗的小鼠肿瘤完全消退。即使给没有癌症迹象的小鼠再次移植恶性细胞，95%的动物可继续保持无肿瘤的状态，这表明它们具有长期的抗癌免疫力。
此外，在对PD-1阻断无响应的4个晚期结直肠癌、黑色素瘤和肺肿瘤小鼠肿瘤模型中，与PD-1阻断或MSA-2单药治疗相比，PD-1阻断与MSA-2联合治疗能更好地抑制肿瘤生长，延长小鼠的生命。
事实上，除了MSA-2，默沙东在研的MK-1454也是一款STING激动剂。该项目目前已进入临床开发阶段。不过，在针对晚期实体瘤或淋巴瘤的I期试验中，这款一代STING激动剂单药治疗未能产生任何反应，而当与PD-1抗体帕博利珠单抗联合使用时，患者响应率为24%。如前文所述，诸如MK-1454这样的一代STING激动剂是CDNs的类似物，很不稳定，且系统性给药时会存在毒性，因此只能直接注射到肿瘤内，这限制了它们只能应用于少数几种癌症类型。
而模拟和实验分析预测，MSA-2可能在酸性的肿瘤微环境中比在正常组织表现出更高的效力。这种优先靶向肿瘤的特性对于系统性给药的STING激动剂的抗肿瘤活性和耐受性非常关键。
除了来自默沙东研发团队的这项成果，同日发表在Science杂志上的另一篇论文也描述了由Scripps研究所的科学家团队所发现的一种能够激活STING的新型稳定分子——SR-717。这也是一款可口服或系统性给药的非核苷酸小分子STING激动剂。
结构分析显示，SR-717是一种cGAMP（STING蛋白天然配体）模拟物，与cGAMP结合在STING上的相同位置，并可诱导STING发生相同的形状改变（形成“封闭”构象）。
在侵袭性黑色素瘤动物模型中，SR-717显著抑制了肿瘤生长，阻止了转移，诱导了免疫系统对肿瘤分子的识别，极大提高了肿瘤周围CD8+T细胞和自然杀伤（NK）细胞的水平。SR-717也促进了树突状细胞的激活。此外，在这种有效剂量下，SR-717未对动物模型表现出明显的不良副作用。
STING一直是肿瘤免疫治疗领域一个热门但充满挑战的靶点。研究者们认为，这些新发现是肿瘤领域的关键进展，大大增加了通过STING激动剂抑制多种癌症的可能性。Science杂志针对以上两项突破成果配发的观点文章也指出，能够系统性给药的非核苷酸小分子STING激动剂可能代表了靶向cGAS-STING通路的一种有前途的策略，经过进一步的优化，有可能会改变癌症治疗。
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阿诺医药 高级药化总监 陈宇锋博士
Merck & Co的非环双核苷酸（non-CDN）STING蛋白激动剂的开发
Merck & Co的首个STING激动剂是对标Aduro-S100的MK-1454，于2017年2月开始临床试验，采用瘤内注射（IT）给药。同年9月，Merck & Co又悄然开始了第二个STING激动剂MK-2118的临床试验，这次的临床试验设计，包含了3组IT给药和1组皮下注射（SC）给药。相比于修改STING蛋白天然配体cGAMP衍生出的MK-1454，MK-2118一直比较低调，至今还没有临床试验结果公开。
2018年4月，Merck & Co公开了一类苯并噻吩类的小分子STING激动剂的化合物专利。2019年2月，Merck &Co继续公开了2篇苯并噻吩类结构的相关专利，分别保护这类结构在肿瘤治疗上的用途，和与PD-1抗体联用在肿瘤治疗上的用途。这次公开的用途专利中包含了临床试验的设计方案，此外在这两个专利文件权利要求部分最后都罗列了一组约20个苯并噻吩类结构作为保护范围，所以能猜测MK-2118会是其中之一。从药物化学开发的角度来说，噻吩环或者苯并噻吩环，由于其结构的富电子特征，一直不是药物化学家的首选。而且Merck & Co在18年公开的结构，其苯环上连接的多是推电子基团，所以芳环骨架上的富电子特征比较明显。当时很多同行可能都会好奇，“MK-2118会不会不是其它结构类型？” 然而从2019初公开的专利应当能看出MK-2118就是苯并噻吩类小分子结构。
2019年10月，Merck & Co继续公开了缺电子杂环（如吡啶，吡嗪）并噻吩或噻唑的小分子STING激动剂专利。在同一天，Merck & Co还公开了苯并噻吩和类似缺电子杂环单体（Monomer）改造出的二聚化结构（Dimer）作为STING激动剂的专利。Dimer结构的公开能佐证2018年最初公开的苯并噻吩Monomer与STING蛋白可能的结合方式。新的Dimer化合物的分子量重新回到600-700左右的区间。专利中公开的数据显示，在体外实验中Dimer结构与STING蛋白的结合能力较Monomer结构有大的提高，但分子跨越细胞膜的能力预计会降低。此外，Dimer分子中高度平面化的芳环片段，加上分子内存在类似镜面对称的构象，容易产生分子与分子间的密集有序排列，所以预计会导致化合物的溶解度降低。
此次，Merck & Co的研究人员在Science杂志发表了题为“An orally available non-nucleotide STING agonist with antitumor activity”的论文，总结了苯并噻吩类结构发现和开发过程。文章公开了小分子单体MSA-2在小鼠MC-38模型（结肠癌）模型中单药的动物实验结果。其中，通过三种给药方式（瘤内注射，皮下注射和口服），在瘤内和血浆中都能检测到可比的药物浓度和相似的代谢速度，从而显示出小分子结构良好的吸收和跨膜转运能力，以及一定的代谢稳定性。在药效上，三种给药途径都展现出了剂量依赖性的治疗效果。而且经过三种给药途径治愈后小鼠再接种肿瘤细胞的rechallenge实验，证实了治愈后的小鼠已经对肿瘤产生了免疫记忆。文章还公开了MSA-2两种给药途径（皮下注射，口服）与PD-1抗体联用在四种小鼠肿瘤模型B16F10（黑色素瘤），LL-2（肺癌），advanced MC38（进展期，结肠癌）和CT-26（结肠癌）的药效实验结果。在四种肿瘤模型中，与MSA-2单用和PD-1抗体单用相比，在小鼠生存期延长方面，MSA-2和PD-1抗体联用显示出了明显的协同作用。
STING蛋白激动剂系统性给药方式的开发
2017年底，当Merck & Co的苯并噻吩小分子MK-2118以IT+SC给药进入临床试验的时候，业内的主流思路还是基于STING靶点治疗学的第一代假设，即通过局部给药激活DC，DC通过淋巴管到达淋巴结启动（prime ）肿瘤特异性的T细胞，然后T细胞在淋巴结增殖后迁移到肿瘤部位杀伤肿瘤。随着2018年Aduro-S100和MK-1454的I期临床试验结果公开，第一代思路的临床试验效果遭到质疑。随后第二代治疗学假设开始兴起，这就是把药物运输到多发的肿瘤部位来发挥具体的药效。皮下注射（SC）是当时折中的思路，从某种意义上来说，瘤内注射也是类似于SC给药。当代谢较稳定的、容易被吸收的分子被注射进肿瘤组织，药物分子可以被吸收进周边血管，然后随着血液循环进行全身递送。从Merck & Co在2018年AACR中公开了环双核苷酸类工具分子MSA-1在小鼠双侧瘤模型中单侧瘤内给药后的PK数据可以看出，MSA-1单侧瘤内注射4小时后，在对侧瘤内还能检测到与注射侧瘤相当的药物浓度。各公司后期开发差异化的环双核苷酸类结构在血液循环系统中的稳定性也大为提高，这使得经过血液循环递送大分子量的环双核苷酸类药物到不同部位的肿瘤组织成为可能。BMS在2018年SITC公开了环双核苷酸衍生物BMS-986301通过肌肉注射（IM）给药的小鼠药效学实验，就是这样一种尝试。
2018年11月，GSK在Nature杂志上发表了题为“Design of amidobenzimidazole STING receptor agonists with systemic activity”的论文，第一次将non-CDN类的苯并咪唑二聚分子以静脉注射（IV）的方式用于小鼠CT-26模型（结肠癌），开始把业内的注意力拉向STING激动剂更为直接的IV给药方式。2019年2月，GSK开始了IV方式给药的苯并咪唑二聚分子STING激动剂GSK3745417的临床试验。同年9月，SpringBank开始了以IV方式给药的环双核苷酸衍生物前药分子SB11285的临床试验。
系统性给药模式下开发化合物对肿瘤组织的靶向性
由于STING蛋白在组织中无差别的表达，随着STING激动剂系统性给药尝试的开展，如何避开无差别的递送，而选择性在肿瘤组织激活STING蛋白产生炎症因子，已经成为大家关注的主题。在最新发表的这篇Science文章中，Merck & Co的科研人员发现他们的苯并噻吩类分子MSA-2，在小鼠肿瘤模型中，经皮下注射给药后，化合物在肿瘤组织中的富集量要高于正常的血液、脾脏和股四头肌中的药物量。MSA-2类分子中的羧基官能团，被认为是产生这一现象的原因。大家都知道肿瘤微环境跟正常组织相比偏弱酸性，而MSA-2这种弱酸性的分子在偏酸性的环境中会主要以游离态形式存在。游离态的分子在被动扩散穿越细胞膜时，比离子化的分子形态更有优势。所以，相比于正常组织，在肿瘤组织中会有更多的MAS-2类分子被转运到胞内而被富集下来。而且，Merck & Co科研人员用细胞实验证实，在pH 6、6.5、7和7.5的溶媒中培养的THP1（人单核细胞）和小鼠巨噬细胞对MSA-2刺激产生炎症因子的响应是不一样的，MSA-2在pH=6的溶媒中对THP1（人单核细胞）和小鼠巨噬细胞的刺激能力最强，随着pH值升高刺激能力会依次降低。在小鼠模型中也发现，MSA-2经口服和皮下注射给药，在肿瘤组织中产生的干扰素-ß的量要显著高于在正常的肺、脾脏和肝脏中刺激产生的干扰素-ß的量。这是一个非常有意义的发现。
在Science文章中，为了验证这个肿瘤微环境pH-依赖型的吸收和刺激模型，Merck& Co科研人员还对比了STING蛋白内源性配体cGAMP在不同pH溶媒中对THP-1细胞的刺激能力，结果是几乎无差别。cGAMP分子中的两个磷酸基团即使在弱酸性pH6的溶媒也是完全离子化的，而且cGAMP是典型的大分子量和大极性化合物，它的跨膜运输可能会依赖细胞膜上的转运蛋白（transporter）或者以细胞内吞的方式来进行。相比之下，小分子量的化合物进入细胞膜主要还是依赖经典的由于细胞内外浓度差异产生的被动扩散模式。所以cGAMP做不出pH依赖型的跨膜和在胞内刺激STING蛋白的差异也属于正常的预期。不同类型的分子需要根据其特征开发不同的靶向作用模式。除了DMXAA，MSA-2是迄今为止公开的具有动物模型药效的最小分子量的化合物，Merck & Co科研人员基于MSA-2类结构特征，开发出一种小分子简单依赖肿瘤微环境特征，选择性被富集和刺激肿瘤组织STING蛋白的作用模式。这种作用模式能否转化成MSA-2类分子系统性给药后的安全窗口，我们期待Merck & Co后续做更多的公开。
参考资料：
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