2022年，拉斯克医学奖授予Richard Hynes、Erkki Ruoslahti和Timothy Springer，以表彰他们在整合素发现中的开创性研究，这再次引起人们对整合素领域的关注。整合素在癌症、纤维化疾病、心血管疾病、自身免疫性疾病等多种疾病发挥重要作用。由于整合素作用特点及调控机制的复杂性，整合素靶向药物的研发进程并不理想。迄今为止，只有7种整合素靶向药物成功上市。从过去靶向整合素药物研发中获得的一个重要启示是整合素药物研发的成功依赖于对整合素调控机制的深入理解和未被满足的临床需求。因此，十分有必要及时总结整合素的最新研究进展，尤其对整合素全部家族成员和整合素介导的下游信号转导进行系统而全面地剖析，以及分析从实验室研究到临床开发的靶向整合素疗法的研发趋势，从而为靶向整合素治疗重大慢性疾病提供参考。
2023年1月2日，北京大学临床药理研究所所长，北京大学第一医院药学部主任崔一民教授团队在Signal Transduction and Targeted Therapy杂志在线发表了题为“Targeting integrin pathways: mechanisms and advances in therapy”的综述，本文全面介绍了整合素家族成员及其介导的下游信号转导，以及整合素在多种疾病发生发展过程中发挥的重要作用，并深度解析了整合素靶向药物的开发趋势及未来临床研究、基础研究和转化研究的重点。本综述将为靶向整合素疗法提供系统的概览和研发思路的启迪。
整合素在机体健康和多种疾病状态下，作为细胞外基质（ECM）-细胞骨架的连接器和传感器，在细胞与其环境之间的生化信号和机械信号传导中发挥多方面作用。整合素研究最早起源于自上世纪80年代，经过40多年的努力，整合素的相关研究取得了巨大进展（图1）。
图1 在过去四十年中整合素研究及其代表性药物及抑制剂研发的里程碑事件。
整合素家族的结构和功能
整合素是由α和β亚基组成的非共价异源二聚体，已在哺乳动物中发现了 18 个 α 亚基和 8 个 β 亚基形成的24个功能不同的整合素受体。除β4外，每个α或β亚单位都含有一个外延域、一个单跨螺旋跨膜域和一个细胞质尾部（图2）。
α-亚基包含四个细胞外结构域：一个七叶β-螺旋桨结构域，一个thigh结构域和两个calf结构域（图2a, b）。有一半的整合素α亚基包含α I结构域，α I结构域包含一个金属离子依赖的结合位点（MIDAS），这是配体结合的主要位点。α I结构域的晶体结构表明有三种不同的构象，称为弯曲闭合、延伸闭合和延伸开放构象（图c2）。α I结构域的活性状态下，C端谷氨酸与β I MIDAS连接并进一步稳定高亲和力构象。β亚基的外结构域包括7个具有复杂结构域插入的结构域（图2 a, b）：β I结构域、丛蛋白-信号蛋白-整合素 （PSI）、四个富含半胱氨酸的表皮生长因子（EGF）模块，以及一个β尾结构域（βTD）。β I结构域与α I结构域同源。静止的整合素以弯曲-闭合构象存在，不能与配体结合，整合素可以延伸并与开放的headpiece形成高亲和构象。通过结合配体诱导形成开放的headpiece构象，该激活态具有较高的结合亲和力。配体结合进一步为构象变化触发由外向内信号传递提供了能量。
图2 整合素结构和代表性构象。a.整合素结构域。b. 整合素3D晶体结构内的结构域排列。c.整合素的构象变化：弯曲闭合、延伸闭合和延伸开放构象
αvβ3与FN突变体结合的晶体结构揭示了纯拮抗剂的结合特点。近年来，研究发现环肽CisoDGRC和一些αvβ3小分子拮抗剂保留了高亲和力，但没有通过诱导αvβ3的构象变化，这与β3 Tyr122相互作用有关，阻止其向MIDAS移动，这是触发构象变化的一个关键因素。最近研究表明Mg2+离子和MIDAS丝氨酸侧链之间的水分子对整合素构象的改变也很重要，而排出这些水分子是向开放构象转变的必要条件。
大多数包含小肽序列作为整合素识别基序。靶向整合素序列可以是简单的Arg-Gly-Asp（RGD）或Leu-Asp-Val （LDV）三肽，也可以是更复杂的GFOGER肽。根据整合素结合特性的不同，整合素可分为四种类型:白细胞粘附整合素、RGD结合整合素、GFOGER结合整合素和层粘连蛋白结合整合素。除了经典的ECM介质，据报道，整合素还与原核细胞、真核细胞和真菌细胞以及一系列病毒表面的多种非ECM蛋白相互作用。此外，整合素还可以与生长因子、激素和多酚类物质结合（图3）。
图3 整合素的分类、分布和配体。根据其分布、配体特异性和功能，可分为RGD结合整合素、白细胞粘附整合素、胶原结合整合素和层粘连蛋白结合整合素四类。
整合素介导的信号转导
与广泛的ECM和非ECM分子结合使得整合素成为细胞间调控的连接器。整合素通过蛋白质-蛋白质相互作用、构象变化和转运等多种机制，在激活和非激活状态之间的微妙动态平衡来发挥作用。这些过程是通过“由内而外”的信号和“由外而内”的信号触发的，与α-actinin、talin、vinculin和paxillin等蛋白相互作用到细胞质β-整合素的尾部，或与ECM配体结合并募集粘附复合体。粘附后，细胞骨架蛋白与整合素β亚单位胞质尾部相连。大多数整合素粘附复合物（IACs）包括粘着斑（FAs）、纤原性粘附、免疫突触和伪足小体。整合素与细胞外激活因子如二价阳离子、内源性激动剂、激活抗体和配体模拟分子相结合，它们随后的聚集导致SYK、FAK和Src家族激酶（SFKs）的激活，调节整合素下游信号通路。图4是整合素激活相关信号转导的示意图。
图4 整合素激活相关信号转导的示意图。
整合素在生理学和病理学上的作用
整合素在癌症中的作用：整合素调节细胞增殖、粘附、迁移和生存，整合素可以说参与到肿瘤发生发展的每一环节，包括肿瘤增殖、侵袭、循环肿瘤细胞的生存、转移位的形成、免疫抑制和转移部位的定植，并促进肿瘤细胞对多种疗法的抵抗。整合素的表达在正常组织和肿瘤组织之间有很大差异，也与癌症类型和器官转移有关。例如，整合素αvβ3、αvβ6和a5β1通常在大多数正常上皮细胞中以低水平或无法检测到的水平表达，但在多种肿瘤中可高度上调。整合素αvβ3、αvβ5、αvβ6、a5β1、a6β4和a4β1的过表达促进了多种肿瘤进展。此外，整合素也被认为是克服多重耐药的一个很有前景的治疗靶点。不同整合素亚型及其在多种肿瘤类型和转移部位的表达与相关性如图5所示。
图5 SHP2在不同炎症相关疾病中的信号通路调控机制
整合素在纤维性疾病中的作用：TGF-β1在纤维化的发病机制中起着至关重要的作用，被认为是纤维化疾病的治疗靶点。不幸的是，临床前和临床试验都表明，直接靶向TGF-β1治疗纤维化疾病是不可行的。TGF-β1参与免疫系统的调节，具有重要的抗癌和维持心功能的作用。TGF-β1的全局抑制导致严重的多器官功能障碍。令人欣喜的是，研究人员发现阻断整合素（特别是富含αv亚基的整合素）与TGF-β1之间的相互作用具有有效的抗纤维化作用，且不会引起TGF-β1功能障碍引起的不良反应。αvβ1和αvβ6的拮抗剂在肝、肺和肾纤维化的实验动物模型中显示出相当的抑制作用。事实上，近年来，一些整合素抑制剂已经在纤维化疾病的II期和III期临床试验中得到开发和评估，如PLN-74809、IDL-2965、GSK3008348和STX-100。这些发现揭示了整合素抑制剂在治疗纤维化疾病中的前景。整合素在非酒精性脂肪性肝炎（NASH）、肺动脉高压（PH）和常染色体显性多囊肾病（ADPKD）这些纤维化相关疾病中起到重要作用（图6）。
图6 整合素在NASH、PH和ADPKD纤维化过程中的作用。
整合素在心血管疾病中的作用：动脉粥样硬化（AS）是血管疾病的基本病理过程。动脉粥样硬化斑块的破裂和继发性血栓形成是导致严重血管事件的最常见原因。整合素信号通路的改变可以影响AS的多个方面，如内皮功能障碍和激活，白细胞归巢到斑块，斑块内的白细胞功能，平滑肌的招募和纤维增生重塑以及血栓形成（图7）。
图7 整合素在AS过程中的主要作用。整合素信号可影响AS的多种过程，包括内皮功能障碍和活化、白细胞归巢至斑块、平滑肌细胞迁移和血栓形成。
整合素在感染性疾病中的作用：SARS-CoV-2的 S1亚基包含一个溶剂暴露的RGD结合基序。它可以被整合素识别，尤其是α5β1和αvβ3。病毒通过RGD与细胞表面整合素结合。体外研究证明SARS-CoV-2 S蛋白、整合素β1和整合素β3之间存在同源结合相互作用。一些靶向整合素的药物或方法已被证明对感染有影响。一项研究表明ATN-161分子抑制S蛋白与α5β1整合素的相互作用，是治疗COVID-19的一种有前景的方法。
表1 整合素在SARS‐CoV‐2感染中的表达
整合素在自身免疫性疾病中的作用：整合素参与对抗自身免疫性疾病的免疫应答，如炎症性肠病、多发性硬化症、类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮和银屑病，通过与ECM和特异性受体结合，诱导淋巴细胞、内皮细胞和上皮细胞之间的强粘附。许多整合素在T细胞、B细胞、中性粒细胞、自然杀伤细胞、单核细胞、树突状细胞、巨噬细胞和血小板中表达。
挑战与机遇:整合素靶向药物从实验开发到临床研究
整合素一直是治疗多种疾病的很有前景，但是同时也非常有挑战性的靶点。靶向整合素相关适应症如表2所示，包括癌症、纤维化疾病、心血管疾病、病毒感染、自身免疫性疾病等。表3汇总了正在进行的靶向整合素疗法的临床研究（从2019年到2022年）。目前，约有90种靶向整合素疗法正在进行临床试验，包括整合素拮抗剂和显像剂。其中，约有三分之二的药物或显像剂正在进行I期至III期的研究，近三分之一的整合素靶向疗法被终止、撤消或没有进展。相关的原因是多方面的，包括入组延迟和困难、缺乏疗效、安全问题、商业决策和缺乏资金等。2022年，临床试验的积极结果为靶向整合素疗法带来新曙光。例如，carotegrast作为第一个口服抗整合素药物，于2022年3月28日被日本PMDA批准用于中度溃疡性结肠炎。Pliant Therapeutics公司研发的口服αvβ1/αvβ6双重抑制剂PLN-74809在INTEGRIS-IPF IIa期研究中取得积极结果，该研究达到了主要和次要终点，证明PLN-74809在12周的治疗期间耐受性良好，并显示出良好的药代动力学特征。本文汇总了小分子、多肽、抗体、ADC、PDC、纳米药物、CAR-T细胞治疗和显像剂的主要进展情况。
表2 临床试验中与整合素靶向疗法相关的适应症
表3 近期处于临床试验阶段的靶向整合素药物（2019-2022年）
结论与展望
近几十年来，靶向整合素药物的研究一直在曲折中发展。从过去研究中总结出的经验对于未来在此领域中取得重磅成果也极具价值。
对于基础研究而言，整合素虽然已经被广泛研究，但同时也是一个新的领域。验证整合素靶点在临床前疾病模型中的功能，并在大规模队列中分析不同疾病、状态下的表达情况十分重要。值得注意的是，目前对整合素靶向策略的研究不仅要关注细胞外靶点，也要关注细胞内靶点，这些靶点涉及由内而外和由外而内的信号通路。考虑到由于整合素信号的激活，整合素在定向结合位点靶向失败，迫切需要识别其他变构位点以开发在靶向这些位点的候选药物。显然，αvβ3和αIIbβ3中存在由其抑制剂诱导的构象状态变化，但其他RGD结合整合素或白细胞粘附整合素、胶原结合整合素、层粘连蛋白结合整合素尚不清楚。晶体学结构分析有助于揭示构象变化机制。
在临床研究中，考虑到整合素抑制在克服对化疗、放疗、靶向治疗（包括VEGFR抑制剂）或靶向免疫微环境治疗的获得性耐药方面的潜在功能，整合素靶向疗法与其他药物联合治疗可能发挥最大用途。目前，由于实体肿瘤的复杂性，不同机制或靶点的抗肿瘤药物联合治疗是临床上提高抗肿瘤疗效、克服或延缓耐药的主要策略。生物标志物和成像技术应用可以对临床患者分层，指导整合素抑制剂的最佳临床应用。此外，除了关注整合素拮抗剂的疗效外，我们还应特别关注在临床应用或临床试验中整合素拮抗剂的不良反应。
对于转化研究来说，开发具有新的化学类型、高亲和力和良好药代动力学特征的小分子口服给药具有挑战性，但具有巨大的市场。通过高通量筛选和靶向整合素和ECM相互作用识别新的非RGD或纯拮抗剂是药物发现的重要方向。此外，整合素作为信号分子的作用是多方面的，双靶点药物开发和多适应症同步开发将提高效率和成功率。目前，对于心血管疾病和溃疡性结肠炎的治疗，靶向整合素疗法已经取得了很大成功。未来靶向整合素药物的研发将逐步向未被满足的临床需求发展，如IPF、NASH、侵袭性或耐药性恶性肿瘤等。
综上所述，整合素在多种细胞类型中表达并广泛参与细胞过程，在人类健康和疾病中发挥着至关重要的作用。虽然整合素在各种疾病中作用的认识不断进步，但药物的发现进程仍然不令人满意。Nature Reviews Drug Discovery也于2022年发表题为“Emerging therapeutic opportunities for integrin inhibitors”综述，给该领域的研发人员打气鼓励。相信随着基础研究、临床研究和转化研究的进步，未来靶向整合素研发领域将出现重磅炸弹！
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41392-022-01259-6
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