Research progress of KRAS inhibitors
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摘要:
KRAS蛋白是由克里斯汀鼠肉瘤病毒基因（Kirsten rat sarcoma viral oncogene，KRAS）编码的一种小GTP酶，参与细胞的增殖、分化、迁移和凋亡等活动，被认为是调控细胞生命周期的信号开关。然而KRAS基因容易发生突变导致下游信号通路的过度激活，是肿瘤疾病发生发展的重要因素。KRAS蛋白常见突变位点包括G12、G13和Q61，不同的突变体对蛋白生理功能的影响和主要肿瘤疾病类型具有差异性。KRAS蛋白由于其光滑的表面和对核苷酸的高亲和力一度被认为是“不可成药”的靶点。直到靶向KRAS G12C共价抑制剂索托雷塞（sotorasib）和阿达格拉西布（adagrasib）的上市才打破了KRAS不可成药的现状。文章就KRAS蛋白的结构和功能以及直接靶向KRAS G12C、KRAS G12D、KRAS G12R、KRAS G12S和泛KRAS抑制剂的研究现状、面临的挑战进行综述，旨在为KRAS抑制剂的发展提供有益参考。
Abstract:KRAS protein, a small GTPase encoded by the Kirsten rat sarcoma viral oncogene homologue (KRAS) gene, is involved in cell proliferation, differentiation, migration and cell survival, and is known as a regulatory switch for the cell life cycle. However, KRAS gene is prone to mutation, leading to hyperactivation of its downstream signaling pathways, and has a vital role in driving tumorigenesis. KRAS mutations predominantly take place at residue G12, G13 or Q61, and different mutants have varying effects on protein physiological functions and tumor types. Due to its smooth surface and high affinity for nucleotides, KRAS had been considered to be “undruggable” until the launch of selective KRAS G12C inhibitors sotorasib and adagrasib, which broke the dogma. This review introduces the structure and functions of KRAS, as well as the status and progress of inhibitors directly targeting KRAS mutants (G12C, G12D, G12R, G12S) and pan-KRAS inhibitors, aiming to provide some insightful reference for the development of KRAS inhibitors.
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Keywords:
- RAS /
- KRAS /
- KRAS inhibitors /
- antitumor
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大鼠肉瘤病毒癌基因（rat sarcoma viral oncogene homolog，RAS）是人体的原癌基因，也是第1个被发现的致癌基因，包括神经母细胞瘤大鼠肉瘤病毒致癌基因（neuroblastoma rat sarcoma viral oncogene，NRAS）、哈维鼠肉瘤病毒致癌基因（Harvey rat sarcoma viral oncogene，HRAS）和克里斯汀鼠肉瘤病毒癌基因（Kirsten rat sarcoma viral oncogene，KRAS）3种亚型。RAS基因突变是导致癌症发生与发展的重要因素[1]。据统计，全球约30%的癌症病例与RAS基因突变有关，其中KRAS突变导致的癌症占所有RAS突变的85%，在胰腺癌（90%）、结直肠癌（30%~50%）、非小细胞肺癌（15%~20%）等致命癌症中普遍存在 [2−3]。KRAS蛋白包括KRAS-4A和KRAS-4B两种亚型，分别由189和188个氨基酸残基构成。这两种亚型由同一个基因编码，但由于选择性剪切产生不同的C端膜靶向序列。KRAS-4B亚型是人类基因转录组的主要产物，是目前临床研究和探索的热门靶点 [1−3]。常见的KRAS突变位点包括G12（83%）、G13（14%）、Q61（2%），主要突变类型有G12D（33%）、G12V（23%）、G12C（11%）和G13D（12%）[4−5]。目前处于临床阶段的KRAS抑制剂主要是G12突变抑制剂与泛KRAS抑制剂。
1. KRAS蛋白的结构特征
KRAS蛋白由188个氨基酸组成，包含5条α螺旋链和6条β折叠链（图1），其结构功能域可划分为N端的G结构域（G domain，1-166氨基酸残基）和C端的高变区域（hypervariable region，HVR，167~188个氨基酸残基） [6]。G结构域包括效应区和变构区，包含核苷酸结合位点以及效应蛋白和调节蛋白的结合位点。效应区包括P环（P-loop，10~17个氨基酸残基)、开关区域Ⅰ（Switch I，SWI，30~38个氨基酸残基）、开关区域Ⅱ（Switch II，SWII，60~76个氨基酸残基），其中SWI区和SWII区在RAS亚型中具有保守性，是介导蛋白-蛋白相互作用的重要区域。变构区由87~172个氨基酸残基组成，在各种RAS亚型中具有86%的相似性，与蛋白构象分布状态和膜相互作用有关 [1]。C端的高变区域（167~188个氨基酸残基）包含CAAX（C，半胱氨酸；A，脂肪族；X，任何氨基酸）序列，依赖多聚赖氨酸区域的静电相互作用实现膜定位 [6−7]，还与KRAS蛋白二聚体的形成和信号转导有关 [8]。
KRAS蛋白与三磷酸鸟苷（guanidine triphosphate，GTP）/二磷酸鸟苷（guanosine 5'-diphosphate，GDP）结合时会导致SWI和SWII发生构象变换 [9]，当蛋白处于和GTP结合的活化状态时，T35和G60与γ-磷酸形成氢键，此时SWI和SWII处于活性构象，若GTP被水解生成GDP则氢键断开，SWI和SWII转变为非活性构象[7]。活化的KRAS蛋白则形成二聚体或者高价多聚体介导下游信号通路，KRAS突变蛋白会导致蛋白二聚体构象发生变化，错误的二聚体构象是驱动致癌信号传导的重要诱因[8]。
作为细胞信号通路中的关键分子开关，KRAS蛋白与细胞生长、增殖和凋亡息息相关 [10]。当受到生长因子、趋化因子、Ca2+等刺激时 [11]，法尼基化的KRAS蛋白由细胞膜被转运到内质网，由与GDP结合的非活性状态（KRAS-GDP）转化成与GTP结合的活性状态（KRAS-GTP），这种核苷酸转换过程受鸟嘌呤核苷酸交换因子（guanine nucleotide exchange factors，GEF）和GTP酶活化蛋白（GTPase-activating proteins，GAP）的调节。当正常KRAS蛋白被激活时，GEF促进GDP的释放以及GTP进入蛋白形成KRAS-GTP；而GAP则是催化GTP水解、加强蛋白内在GTP酶活性，从而使蛋白转化为KRAS-GDP [5]。蛋白被活化后，会导致二聚体或者高价多聚体的形成，从而与下游信号因子结合，将细胞外生长因子和细胞内级联信号联系起来，发挥对细胞周期的调控作用 [12−13]。
2. KRAS蛋白的信号通路及临床意义
KRAS蛋白主要有4条下游通路：（1）RAS/RAF/MAPK通路——这是KRAS信号通路中最经典的下游通路，通过招募并激活RAF蛋白激酶（RAF protein kinase，RAF），促进丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）磷酸化，从而参与细胞的增殖、分化和迁移 [6, 14]。（2）PI3K/AKT/mTOR信号通路——KRAS蛋白通过激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositide 3-kinases，PI3K）从而促进蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）的活化，活化的AKT进一步调控细胞增殖、分化、代谢以及蛋白合成和转录，抑制细胞凋亡。此外，该通路还与肿瘤抗性产生息息相关 [6]。（3）RAS/RASSF通路——RAS关联域家族蛋白（RAS association domain family，RASSF）能够诱导细胞凋亡和抑制AKT信号通路，然而在人类肿瘤细胞中，RASSF蛋白表达大量减少 [15]。（4）RAL鸟嘌呤核苷酸解离刺激剂（RAL guanine nucleotide dissociation stimulator，RAL-GDS）信号通路——主要调节细胞骨架形成、内吞作用和细胞膜形成等细胞行为。此外，KRAS蛋白对细胞分泌、肌肉收缩、人造血功能和胚胎发育等生理活动也有一定的调节作用。总而言之，KRAS蛋白对多种信号通路均有一定的调节作用，与多种生命活动密切相关 [6, 16]。
KRAS蛋白在多种器官中均存在表达[2]，其在人体细胞中发挥生理作用主要依赖于GTP/GDP结合[17]。KRAS蛋白具有内在GTP酶活性，在正常生理状态下处于和GDP结合的非活性状态，当被激活时则转变为和GTP结合的活性状态。但是在肿瘤疾病中，KRAS蛋白由于发生突变，核苷酸转换过程难以正常进行[18- 19]。KRAS蛋白有多种致癌突变体，突变位点主要集中在G12、G13和Q61 [19]，不同的突变体会导致特异性局部变化和生物学功能机制。如G12突变通过调控下游通路增强肿瘤细胞侵袭性，G13突变则导致蛋白转化能力降低，Q61突变则影响KRAS蛋白的激活机制[11]。
KRAS突变体在多种癌症疾病中均被检测到，其中G12突变存在于89%的癌症病例中，包括肺癌、结直肠癌和胰腺癌等常见癌症[20−21]。KRAS G12突变包括G12D、G12V、G12C、G12A、G12S和G12R 6种常见突变类型[5]，而不同的突变体所导致的主要肿瘤类型具有差异性，如KRAS G12D和KRAS G12V是结直肠癌和胰腺癌的主要突变类型，KRAS G12C和KRAS G12V是肺癌中的主要突变类型[20]。因此靶向KRAS G12突变体是治疗多种癌症疾病的有效策略，对癌症疾病的治疗具有重要意义。
3. 靶向KRAS蛋白小分子抑制剂
KRAS蛋白由于其结构功能特征一度被认为是“不可成药”靶点。一方面，KRAS蛋白与GTP/GDP具有较高亲和力（皮摩尔级），且GTP（>300 μmol/L）和GDP（>30 μmol/L）在血液中具有较高的浓度；另一方面，KRAS蛋白具有结构复杂，缺乏适宜药物结合口袋的特征 [22]。曾经有大量研究聚焦靶向KRAS蛋白的下游信号因子或调节蛋白而希望阻断下游信号传导，但目前仍无关于此类抑制剂应用于临床的报道 [[23]。直到特异性靶向KRAS G12C 的共价抑制剂索托雷塞（sotorasib）和阿达格拉西布（adagrasib）的批准上市才打破KRAS蛋白“不可成药”的这一历史 [23−24]。
目前关于靶向KRAS突变体的小分子抑制剂主要集中在KRAS G12C、KRAS G12D和泛KRAS抑制剂，关于KRAS G12R和KRAS G12S的小分子抑制剂也有部分报道，但能直接作用并特异性抑制KRAS G12V突变体活性较好的小分子药物却鲜有报道。研究发现，有4个变构口袋可以用于设计靶向KRAS蛋白抑制剂：β-折叠链附近的口袋P1，SWII区域的口袋P2（S- Ⅱ），C端的口袋P3和SWI区域附近的口袋P4（S- Ⅰ）（图2） [9, 25−26]。靶向不同KRAS突变体的小分子抑制剂大多都是和S-II口袋结合，结合于S- Ⅰ/S- Ⅱ口袋（P1口袋）的多为泛KRAS抑制剂。
3.1 靶向KRAS G12C的小分子抑制剂
KRAS G12C是12位甘氨酸（Gly）突变成半胱氨酸（Cys），在非小细胞肺癌中普遍存在。Cys的巯基（-SH）具有强亲核性，因此靶向KRAS G12C的抑制剂主要通过引入亲电“弹头”与Cys的巯基发生迈克尔加成而形成共价结合，从而产生不可逆抑制作用[14]。
3.1.1 苯胺类
2013年，研究者在通过二硫化物片段筛选获得的苯基硫醚衍生物的基础上，对这一系列化合物进行片段优化得到化合物1（图3）。该化合物是第1个被发现的可以和突变C12发生共价结合的不可逆小分子KRAS G12C抑制剂，其与KRAS G12C的药物结合口袋被定义为“S- Ⅱ”口袋[27]。该药物结合口袋位于中心β折叠、α2-螺旋（SWII区域）和α3-螺旋之间，且只有在和GDP结合的状态下，该变构口袋才能被监测到[28−29]。化合物1的共价结合依赖于丙烯酰胺结构和Cys的巯基（-SH）形成共价键，将KRAS蛋白锁定在非活性状态，从而阻断下游信号的传递 [27]。基于和突变C12的巯基发生不可逆共价结合、S- Ⅱ口袋的发现，一系列KRAS G12C不可逆共价抑制剂被发现并进入临床研究阶段。
通过对化合物1进行结构改造，调整丙烯酰胺基团和C12巯基形成共价键的距离，获得了ARS-853（2）。与化合物1相比，ARS-853在细胞水平上（H-358，A549等）选择性作用于KRAS G12C，并抑制MAPK和PI3K信号通路，IC50为2 μmol/L。此外，ARS-853对其他类型突变体无抑制作用，具有较高的选择性[28]。然而该化合物缺乏令人信服的体内效应实验和体内直接靶向KRAS G12C突变体的有力数据和作用机制。
3.1.2 [6+6]稠合双环类
ARS-1620（3）是基于ARS-853进行结构改造和优化获得的共价抑制剂，是第1个被证明在体内直接靶向KRAS G12C发挥抗肿瘤增殖活性的小分子抑制剂，弥补了ARS-853药代动力学性质的不足和体内实验数据的缺乏。该化合物特异性作用于KRAS G12C的S- Ⅱ口袋，与野生型KRAS蛋白不发生相互作用[29]。而这种选择性主要取决于氟苯酚结构的空间取向，喹唑啉母核和氟苯酚结构的空间位置确定了化合物的活性构型（S-构型）。该种状态下酚羟基与溶剂化区域的水分子形成氢键，而氟原子占据一个疏水区域，与D69和H95产生相互作用（图4）[29]。其体内抗肿瘤活性则通过使用携带KRAS G12C的皮下异种移植模型验证，结果表明，ARS-1620能够直接特异性靶向KRAS G12C突变体（200 mg/kg），减少其活性形式，抑制下游信号通路[29]。基于ARS-1620结构改造与优化得到ARS-3248（4，NCT04006301）和LY3499446（5, NCT04165031），前者由于骨骼肌毒性和疗效不明确被终止，LY3499446由于毒性作用（未见明确指出）终止了Ⅰ期临床[30−31]。这一发现证明了体内直接靶向KRAS G12C的可行性，对于靶向KRAS共价抑制剂的开发具有里程碑意义。
在此基础上，将喹唑啉母核替换为吡啶并嘧啶酮结构，并对侧链进行进一步优化，2019年索托雷塞（6，AMG510，sotorasib）被报道能够选择性靶向KRAS G12C肿瘤细胞，通过作用于KRAS G12C-GDP（IC50=0.09 μmol/L），提高化疗和抗肿瘤药物的疗效，于2021年被FDA批准为首个口服KRAS G12C抑制剂，用于治疗非小细胞肺癌[6]。通过分析其结合模式图（图5）发现，H95的空间取向导致了凹型表面的形成，索托雷塞的侧链吡啶结构与该凹型表面形成空间构象上的匹配，丙烯酰胺结构与C12的巯基发生共价结合，喹啉酮母核结构占据S- Ⅱ口袋，进而增强了和S- Ⅱ口袋的结合程度[32]。将喹唑啉母核结构中的苯环替换为二氢吡啶环，得到一系列四氢吡啶并嘧啶类结构的化合物，并进行药代动力学性质的优化得到的另一种口服KRAS G12C共价抑制剂阿达格拉西布（7，MRTX849，adagrasib），阿达格拉西布与索托雷塞具有相同的作用机制，同样被FDA批准用于治疗非小细胞肺癌 [33−34]。
MRTX1257（8）是阿达格拉西布的类似物，也是一种有效的KRAS G12C小分子抑制剂[33]。在最近的研究中显示，口服MRTX1257对携带KRAS G12C突变体的CT26细胞系表现为放射增敏，在BALB/c小鼠的体内观察到放疗的肿瘤治愈率为20% [35]。另一小分子抑制剂divarasib（9, GDC-6036，NCT04449874）以喹唑啉为母核，保留阿达格拉西布的C2位结构，并引入吡啶环，是一种高活性、高选择性KRAS G12C共价抑制剂[36]。根据美国癌症研究协会公布的研究数据，divarasib抑制KRAS G12C突变体与SOS1结合的IC50为0.0029 nmol/L，对KRAS G12C突变细胞的选择性超过16000倍。Ⅰ期临床试验报告显示，在137例肿瘤患者中（60例非小细胞肺癌患者，55例结直肠癌患者，22例其他实体瘤患者），口服GDC-6036无剂量限制毒性效应或相关死亡报告，对KRAS G12C肿瘤产生持久临床反应 [37]。
除了基于ARS-1620进行改造的策略，通过在喹唑啉母核的2,4,7位引入取代基获得的一系列化合物同样对KRAS G12C具有高效力和高选择性。如在喹唑啉类结构中的C7位引入萘酚基团获得化合物10，进而在化合物10的C2位引入不同的胺类取代基得到化合物11，引入的胺类取代基和萘酚结构分别提高了化合物和靶标蛋白H95与D69的相互作用力，实现在微摩尔级下抑制细胞增殖[38]。另一方面，亲电弹头丙烯酰胺结构和突变C12之间的距离也是影响化合物选择性和活性的重要因素。为了进一步提高对KRAS G12C的抑制活性，以12（IC50=0.47 μmol/L）为先导化合物将哌嗪基团替换为不同的螺环结构获得13（IC50=0.16 μmol/L）和14（IC50=0.35 μmol/L），显著提高了对KRAS G12C的抑制活性。接着对C2位取代基进行优化，以O原子作为连接以及不同的烷氧基取代基得到最优化合物15（IC50=0.07 μmol/L）和16（IC50=0.077 μmol/L）并表现出良好的代谢稳定性 [39]。
3.1.3 稠合多环类
LY3537982（17）是具有稠合多环结构的新型强效KRAS G12C共价抑制剂，对KRAS G12C的抑制能力较索托雷塞和阿达格拉西布分别提高了约14和26倍（IC50=3.35 nmol/L），对细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）磷酸化的抑制能力较索托雷塞和阿达格拉西布提高了约20倍（IC50=0.65 nmol/L）。LY3537982于2021年进入Ⅰ期临床试验（NCT04956640）[40]。
3.1.4 五元芳环类
虽然目前已经有KRAS G12C共价抑制剂批准上市，但是公开的研究数据表明患者表现为获得性耐药性，因此仍需要探索结构新颖强效抗肿瘤药。采用药物拼合原理，研究者以吲唑片段为骨架结构、苯基丙烯酰胺为亲电弹头，二甲基吡唑为连接基团，得到化合物18。基于降低亲电弹头活性从而避免与其他Cys发生相互作用，以螺环氮杂环丁烷部分代替苯胺结构，并进行进一步结构优化获得JDQ443（19, NCT05445843），目前处于Ⅲ期临床试验阶段 [41−42]。
通过分析JDQ443与KRAS G12C突变体的结合模式图发现，氯甲基吲唑片段与D69和S65形成氢键同时占据V103，I100，M72和Q99形成的疏水区域，刚性螺环片段保证亲电弹头朝向C12；酰胺羰基与K16形成氢键并通过水桥与Mg2+和GDP磷酸基团发生相互作用；引入的甲基吲唑与E63-Y64形成堆叠相互作用，并与Q99相接触，这种独特的相互作用进一步保证了JDQ443结合于S- Ⅱ口袋[43]。抗肿瘤活性测试结果显示，JDQ443不仅抑制KRAS G12C肿瘤细胞增殖，还对携带双突变（KRAS G12C/H95R/Q/D）的Ba/F3的细胞表现出抗增殖活性，展示出了不同于阿达格拉西布的抗肿瘤活性 [41-42]。
采用基于片段的筛选手段，发现了与S- Ⅱ区域发生相互作用而不与S- Ⅰ区域产生相互作用的优势片段四氢苯并噻吩结构，接着引入经过优化的丙烯酰胺弹头得到BI-0474（20） [44]，其抑制KRAS G12C的IC50为26 nmol/L。不同于前述KRAS G12C共价抑制剂由萘酚或苯酚类结构占据疏水口袋，BI-0474的四氢苯并噻吩的环己烷结构占据了由V9，M72，F78，V103和I100构成的亲脂性口袋。此外，该结构的氨基与D69和E63形成氢键，氰基与E63以及结合水发生相互作用，目前已经进入Ⅰ期临床试验（NCT04973163）[44]。
3.1.5 吡咯并嘧啶类
基于索托雷塞和阿达格拉西布与KRAS G12C的结合模式，一系列以吡咯并[2,3-d]嘧啶为母核的化合物被报道，并证明合适的空间构象约束是与靶标蛋白正确结合的重要因素。在这一系列化合物中，化合物21具有最优抑制活性，对携带KRAS G12C（IC50=0.16 μmol/L）和KRAS G12C/Y96D双突变的H358细胞均表现出抗增殖活性 [45]。该母核结构与K16，H95，E62和M72形成氢键，8-甲基萘与K88形成阳离子-π相互作用，8位甲基的引入限制了母核与萘结构的相对空间位置从而使得化合物处于合适的空间构象 [45]。
3.2 靶向KRAS G12D的小分子抑制剂
KRAS G12D是蛋白中的12位甘氨酸（Gly）突变为了天冬氨酸（Asp）。与Gly相比，Asp具有酸性基团羧基（-COOH）。KRAS G12C抑制剂的批准上市为靶向其他KRAS突变体提供了新的思路和方法——依赖反应活性弹头与突变的12位氨基酸发生结合 [46]。但是KRAS G12D突变体的Asp（pKa=3.71）在生理状态下表现为弱亲核性，且KRAS G12D突变体的GTP水解速率仅为KRAS G12C突变体水解速率的33%~50% [47]。经过一系列的研究发现，通过在小分子抑制剂中引入碱性基团，与Asp的羧基形成盐桥是选择性靶向KRAS G12D突变体的有效策略，盐桥的形成既保证了牢固的结合作用也使这种相互作用具有可逆性。
3.2.1 吡啶并嘧啶类
以索托雷塞的结构为基础，将原先结构中的丙烯酰胺结构替换为含桥环的哌嗪基团，获得了MRTX1133（22，图6）。MRTX1133对KRAS G12D突变蛋白的亲和力为0.2 pmol/L，对野生型KRAS蛋白没有抑制作用[48]。不同于靶向KRAS G12C的作用机制，MRTX1133的碱性环与D12形成盐桥，萘环上的氟原子占据了由V9、T58、F78、M72、Y96和I100形成的疏水口袋，萘环上的炔基质子通过保守水分子与T58和G10形成氢键网络，从而桥接S- Ⅱ口袋的亲脂性区域和极性区域 [48]。
化合物中过多的氢键供体存在常被认为不利于药物的胃肠道吸收，而 MRTX1133存在炔基和仲胺两个氢键供体区域，小鼠经口服给药表现胃肠吸收差和口服生物利度低（0.5%）。将MRTX1133制备成前药，获得的化合物23显著提高了口服生物利用度，并对携带KRAS G12D突变体的异种移植小鼠肿瘤模型表现抗肿瘤活性 [49]。
与此同时，基于优化喹唑啉母核C7位取代基得到ERAS-5024（24）同样被发现作用于KRAS G12D的S- Ⅱ口袋。与MRTX1133相比，ERAS-5024的氰基结构与E63形成了新的氢键相互作用。细胞生化活性试验表明，ERAS-5024对AsPC-1细胞系ERK磷酸化有较强的抑制作用（IC50=2.1 nmol/L），体外3D CTG（AsPC-1细胞系）测试证明ERAS-5024的效力是MRTX1133的3倍，IC50分别为3.5和11.0 nmol/L，在体内也表现出优于MRTX1133的抑制活性，并且在小鼠模型中未出现耐药性 [50]。
3.2.2 四氢吡啶并嘧啶类
参考阿达格拉西布的四氢吡啶并嘧啶母核结构，化合物TH-Z816（25）被报道出来，其结构中与12位Asp结合的基团为取代哌嗪，这与MRTX1133高度相似。细胞生化实验表明TH-Z816表现出一定的抗肿瘤增殖活性（IC50=14 μmol/L），与KRAS G12D-GDP的亲和力为25.8 μmol/L [51]。通过对TH-Z816进行优化，利用环化策略得到化合物TH-Z827（26）（IC50=3.1 μmol/L）和TH-Z835（27）（IC50=1.6 μmol/L）。研究发现，化合物中引入双环结构比哌嗪结构表现出更高的亲和力和抑制效力。通过评价这两个化合物对KRAS G12D突变体的选择性和KRAS-CARF的抑制能力，TH-Z835和TH-Z827均表现出较高的选择性和较强的抑制能力，其中TH-Z835比TH-Z827更有效。然而这一系列化合物也会抑制一些非KRAS小GTP酶活性蛋白从而产生脱靶效应 [51]。
3.2.3 噻吩并嘧啶类
通过对自构建的哌嗪文库进行虚拟筛选，并基于KRAS G12C抑制剂的喹唑啉母核进行生物等取代获得一系列新型噻吩并[2,3-d]嘧啶类似物，其中KD8（28）对携带KRAS G12D细胞具有较高的选择性和低微摩尔抑制活性。抗肿瘤活性研究显示，KD8对携带KRAS G12D肿瘤细胞（Panc1、SW1990和CT26）的IC50为2.1 μmol/L，对KRAS G12D突变体表现出较强的亲和力（KD=33 nmol/L）。与前述抑制剂类似，KD8同样是基于哌嗪结构和D12形成盐桥，作用于S- Ⅱ变构口袋 [52]。
3.2.4 其他KRAS G12D抑制剂
KRB-456（29）是一种基于天然产物库开发的新型靶向KRAS G12D的小分子抑制剂，不仅对携带KRAS G12D的肿瘤细胞具有抑制作用，对携带KRAS G12V的肿瘤细胞也表现出显著抑制作用[53]。不同于前述KRAS G12D小分子抑制剂结合于S- Ⅱ口袋，KRB-456结合于KRAS G12D-GDP的S- Ⅰ/S- Ⅱ区域内的一个动态变构口袋形成范德华力和氢键相互作用，从而阻断其与RAF1的相互作用。体内实验显示，低剂量的KRB-456对携带KRAS G12D和KRAS G12V 突变的胰腺癌病人源肿瘤模型表现出显著抑制作用 [53]。KRB-456的发现为克服抗癌药物化疗和放疗耐药性问题提供了新线索，同时也为靶向KRAS G12V小分子抑制剂的研究提供了新思路和方法[53]。
3.3 靶向KRAS G12R的小分子抑制剂
KRAS G12R是KRAS蛋白中的12位甘氨酸（Gly）突变为了精氨酸（Arg），该突变占所有KRAS突变类型的4%，多发于胰腺导管腺癌中（17%）和睾丸胶质瘤（80%）中[54−56]。虽然关于靶向KRAS G12C的共价抑制剂已经取得突破性的进展，但是由于R12的亲核性远远低于C12，因此目前关于靶向KRAS G12R共价抑制剂的开发仍然处于探索阶段。
研究发现，将α、β-二乙酰氨基配体作为R12特异性共价亲电弹头，设计合成的化合物30（图7）和化合物31作用于KRAS G12R的S- Ⅱ口袋，且和R12的ε- 和η-N形成咪唑缩合产物[57]。由于该反应具有pH依赖性、η-N亲核加成的立体选择性以及α、β-二乙酰氨基配体和精氨酸作用的独特反应性，化合物30和化合物31对KRAS G12R具有高度选择性，与野生型KRAS蛋白以及其他KRAS突变体不形成咪唑缩合产物。然而，在细胞水平的活性测试中，化合物30与31未显示出明显抑制活性 [57]。原因是化合物30与31是和KRAS G12R-GDP形成共价加和物，不能和KRAS G12R-GTP 形成共价加和物，而KRAS G12R突变体主要以KRAS G12R-GTP的形式存在 [20]。
3.4 靶向G12S的小分子抑制剂
KRAS G12S是KRAS蛋白中的12位甘氨酸（Gly）突变为了丝氨酸（Ser），该突变占所有KRAS突变的4.4%，存在于1.84%的结直肠腺癌患者中，0.5%的肺癌患者中[56, 58]。由于丝氨酸具有弱亲核性，研究者受靶向苏氨酸天然产物家族含有的四元β-内酯结构的启发，在阿达格拉西布的母核结构中引入四元β-内酯结构，设计合成了一系列化合物并进行优化得到化合物32。通过作用于KRAS G12S突变体的S- Ⅱ口袋，化合物32与KRAS G12S-GDP形成共价加和物，发挥抗肿瘤细胞增殖的作用，其IC50为2.4 μmol/L [59]。利用β-内酯结构靶向弱亲核性氨基酸（如Ser）为靶向其他KRAS突变体提供了新的思路和方法[56]。
3.5 泛KRAS抑制剂
3.5.1 吲哚类
S- Ⅰ/S- Ⅱ（P1口袋）区域在所有RAS亚型的活性状态和非活性状态中都具有高度的保守性，是和GEF、GAP以及下游效应蛋白结合的重要区域，通过抑制蛋白-蛋白相互作用能够阻断RAS蛋白下游信号通路的传导和激活 [60]。
采用基于片段的筛选方法发现2-氨甲基吲哚片段对KRAS蛋白具有较高的亲和力，在吲哚3位引入二氢异吲哚啉酮（S-构型）以及在2-氨甲基部分引入大体积芳香取代基得到化合物33（IC50=870 nmol/L ，图8）。然而大体积芳香取代基的引入使得化合物33具有较高的亲脂性。为了提高水溶性，将化合物33的苄基片段替换为N-甲基咪唑片段得到BI-2852（34）。与化合物33相比，BI-2852的水溶性和抑制活性均得到改善（IC50=490 nmol/L ）。BI-2852通过作用于S- Ⅰ/S- Ⅱ口袋的RAS小分子抑制剂，对KRAS-GTP和KRAS-GDP均有抑制作用。此外，对于NRAS-GDP也表现出了弱亲和力。BI-2852的发现证明了S- Ⅰ/S- Ⅱ的可药性以及获得选择性靶向不同RAS亚型的小分子抑制剂的可行性 [60]。
通过分析KRAS G12D的结构特征，发现D38、A59和Y32附近是潜在作用位点，基于这几个潜在作用位点，筛选构建的小分子文库获得候选化合物。接着对候选化合物进行理化性质的预测和结构优化获得了泛KRAS抑制剂3144（35） [61]。化合物35通过和RAS蛋白S- Ⅰ/S- Ⅱ区域的A59产生相互作用，在微摩尔范围内具有较强的亲和力。在体内动物癌症模型中表现为抑制所有类型的RAS突变导致的肿瘤细胞信号传导和生长增殖（IC50=3.8 μmol/L），并且在肝微粒体中有良好的代谢稳定性[61]。作为一种泛KRAS抑制剂，选择性差是其最明显的缺点，化合物35在体内和体外实验中均表现出了毒性和脱靶效应 [61]。因此基于S- Ⅰ/S- Ⅱ区域的高度保守性，泛KRAS抑制剂需要进一步优化从而提高效力和特异性，降低毒性和脱靶问题。
3.5.2 四氢苯并噻吩类
为了获得有效的泛KRAS非共价抑制剂，将BI-0474的“共价弹头”部分去除，得到化合物36。在化合物36结构基础上，将吡啶替换为嘧啶结构并进行极性区修饰获得BI-2865（37）。研究表明，BI-2865能够结合于S- Ⅱ区域并形成更加丰富的氢键网络，对KRAS-GDP有更高的亲和作用力（KD=6.9 nmol/L）。BI-2865不仅抑制野生型KRAS蛋白的激活，同时对G12A/C/D/F/V/S、G13C/D、V14I、L19F、Q22K、D33E、Q61H、K117N 和A146V/T等多种KRAS突变体也表现出较强抑制活性和亲和力，对HRAS和NRAS则无明显抑制活性[62]。但是在野生型KRAS蛋白的细胞模型中，BI-2865由于会导致HRAS和NRAS蛋白诱导的下游信号通路的激活，因此对野生型KRAS蛋白下游信号通路无明显抑制作用[62]。
BI-2865对KRAS亚型的变构抑制主要依赖于G结构域的K117-N85-P121/S122相互作用网络，该区域的构象状态与核苷酸循环的动力学调节有关。如HRAS蛋白引入KRAS模拟取代物（Q95H/A121P/A122S），则该化合物表现出与抑制KRAS蛋白相同的活性，在这个HRAS蛋白中引入N85A，则对该HRAS蛋白的抑制作用大幅度降低。因此基于不同亚型RAS蛋白G结构域氨基酸残基的差异性，有望实现选择性靶向不同的RAS蛋白亚型 [62]。
4. 总结与展望
大约30%的人类肿瘤疾病由RAS基因突变引起，在这所有病例中，约85%是由KRAS突变引起，因此靶向KRAS突变蛋白是肿瘤治疗的一种重要手段。但目前对于KRAS G12D、KRAS G12V 等常见突变体的小分子抑制剂研究仍然面临重大挑战，且已获批药物随之而来的耐药性和脱靶毒性等问题也为小分子KRAS抑制剂的研究带来了新的困难。如靶向KRAS G12C小分子抑制剂由于丙烯酰胺对KRAS G12C具有较高的选择性，因此在临床应用过程中对其他二次突变类型无效从而产生耐药性。
最近的研究表明受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）和SOS1/2的代偿性激活是KRAS G12C产生抗性的重要原因，联合使用表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）抑制剂或SHP2抑制剂则能更有效的发挥抗肿瘤增殖作用，因此开发KRAS上下游信号因子的抑制剂能够从整体上提高抗肿瘤效果、避免耐药性问题 [63]。另一方面，开发具有更新颖结构的小分子抑制剂和泛KRAS抑制剂同样为克服耐药性提供了方向和思路。而对于泛KRAS抑制剂需要提高其作用效力和选择性，避免HRAS和NRAS蛋白的激活对抑制剂的效力产生抵消作用[62]。
除了聚焦于靶向KRAS小分子抑制剂的研究，肽类KRAS抑制剂被发现通过干扰KRAS蛋白与下游效应蛋白的相互作用发挥抑制作用。如利用肽类抑制剂能够抑制KRAS G12V突变体和效应蛋白RAF的相互作用从而阻断下游信号通路的传导[64−65]；通过筛选作用于KRAS G12D突变体的T7噬菌体随机肽库得到的KRpep-2选择性作用于KRAS G12D突变体并抑制核苷酸转换过程（IC50=8.9 nmol/L）[66]，随后基于对KRpep-2进行结构改造获得的KS-58是第1个在体内具有抗肿瘤活性的选择性KRAS G12D抑制剂[67]。然而对于肽类抑制剂的研究仍然处于临床前阶段，且大多数肽类抑制剂具有细胞穿透性差、易被降解和结合力弱等问题，因此对于肽类KRAS抑制剂仍然需要加强研究与探索[26]。总之，随着对KRAS蛋白不断的探索和研究，相信在未来能够获得更好疗效的KRAS抑制剂与最优药物组合应用于临床。
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期刊类型引用(1)
1. 许烨，詹守斌，周圣凯，陈熹. 基于外泌体-串联siRNA自组装靶系统在KRAS驱动型胰腺癌治疗中的应用. 中国实用医药. 2025(04): 171-176 . 
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