靶向胰岛素样生长因子系统抗肿瘤治疗的研究进展

张静，潘燕

胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor，IGF）系统是由配体（IGF-1、IGF-2 和胰岛素）、受体［Ι 型IGF 受体（IGF type 1 receptor，IGF-1R）、Ⅱ型IGF 受体（IGF type 2 receptor，IGF-2R）、 胰岛素受体（insulin receptor，IR），以及IGF-1R 与IR 的杂合受体］、6 种高亲和力IGF 结合蛋白（IGF binding proteins，IGFBPs）（IGFBP-1～6）［1］构成的可调节许多生理和病理生物学过程的网络。IGF 系统在维持细胞生存与功能、诱导细胞增殖、分化和迁移等方面具有长期的作用，是人体生长发育不可或缺的一部分。多项流行病学研究发现，IGF 系统异常与恶行肿瘤发病率增加、预后不良等风险有关。该系统各组分表达水平与不同肿瘤类型的发生发展有关。例如，IGF-1 水平升高，IGFBP-3 水平降低或血液循环中IGF-1 与IGFBP-3 的比例升高会增加乳腺癌、前列腺癌、肺癌和结直肠癌等的发生风险［2-3］；在绝经前妇女中，血液循环中IGF-1 水平与患乳腺癌的风险呈正相关［4］；IR 高表达有可能促进乳腺癌、肝癌和膀胱癌等恶性肿瘤的发生和发展。在恶性肿瘤患者中，IGF 系统可通过与其他生长因子结合或与类固醇激素和整合素等相互作用而调节肿瘤细胞周期，发挥促进细胞增殖、侵袭、迁移以及抑制细胞凋亡等作用［5］。IGF 系统组分的表达水平变化是恶性肿瘤的一个重要风险因素，可能是新型抗肿瘤治疗和（或）预防策略的潜在靶点。因此，本文对靶向IGF 系统治疗肿瘤的研究进展进行综述，以期为靶向IGF 系统的抗肿瘤药物研究提供思路。

1 IGF 系统与肿瘤

1.1 IGF 配体

IGF 配 体 包 括IGF-1、IGF-2 和 胰 岛 素。IGF-1 是一种在肝脏中产生的分泌蛋白，主要受生长激素（growth hormone，GH）调控［6］，其在儿童期的主要作用是促进细胞的生长、分化等，在成人期还参与细胞的增殖、存活和凋亡等［7］。此外，IGF-1还能够调节体内葡萄糖稳态，具有胰岛素样作用。体内IGF-1 高表达会增加患乳腺癌、前列腺癌的风险［3-8］。IGF-2 是一种调节生长的关键蛋白，在人体骨骼肌系统中高水平表达。研究表明，IGF-2 表达水平升高会使得患结直肠癌的风险增加［9］。胰岛素与IGF-1 具有高度同源性，其可在正常细胞和肿瘤细胞中发挥促进细胞增殖的作用［10］。

1.2 IGF 受体

IGF 受体包括IGF-1R、IGF-2R、IR， 以及IGF-1R 与IR 的杂合受体。在恶性肿瘤的治疗中，IGF-1R 和IR 的作用研究较多，IGF-2R 则研究较少。IGF-1R 是一种跨膜蛋白，是受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）家族的主要成员之一，具有刺激细胞增殖、抑制细胞凋亡的作用［11］，在大多数组织中均有表达。研究发现，IGF-1R 高表达与乳腺癌、胆管癌、结肠腺癌、食道癌等疾病的发生发展密切相关［12］。IR 分为A 和B 2 种亚型，其中，IR-A 主要存在于胎儿细胞和肿瘤中，可介导有丝分裂；IR-B 主要存在于胰岛素的靶组织中，负责经典的IR 代谢活动，调节体内血糖稳定［13-14］。

1.3 IGFBPs

IGFBPs 是一类多功能蛋白质，在调节细胞增殖、迁移、存活与自噬等生理功能方面发挥重要作用，在多种组织中广泛表达［15］。IGFBPs 还可以通过隔离血清和细胞外液中的IGFs 而调节IGF 信号传导，延长IGF 的半衰期，调节其生物利用度和活性［16］。

在血液循环中，IGFBPs 对IGF-1 和IGF-2均具有高亲和力，但对胰岛素没有，因此，血液循环中约99%的配体会与IGFBPs 相结合，导致其与受体结合减少［17］。IGFBPs 家族成员已在多项研究中被证实可参与肿瘤的发展，并可能成为各种恶性肿瘤中有效的预后生物标志物［18］。IGFBP-3 是血清中含量最高的IGFBPs，其表达水平与肝癌、肺癌、乳腺癌、卵巢癌、大肠癌等多种恶性肿瘤的发生发展相关；IGFBP-6 在多组织中广泛表达，是一种相对特异的IGF-2 抑制剂，在血管生成以及结直肠癌、卵巢癌的发生发展中具有重要作用。

1.4 IGF 系统的信号传导途径

IGF 系统主要通过IGF-1 等配体与IGF-1R等受体特异性结合，激活细胞内底物后进行信号传递，进而发挥促进肿瘤细胞增殖、抑制肿瘤细胞凋亡的作用。细胞内底物包括胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）和Src 同源性胶原蛋白（Src homology collagen，Shc），可进一步激活PI3K/AKT 和MAPK 2 种细胞内信号通路［19］。其中，PI3K/AKT 信号通路可促进肿瘤细胞增殖、转移和血管生成［20］，在恶性肿瘤发展中起关键作用。该信号的过度激活在结直肠癌、乳腺癌等多种恶性肿瘤中均有报道［21］。MAPK 信号通路位于许多生长因子受体的下游，可被细胞因子、激素、氧化应激和内质网应激等多种刺激激活，进而调节细胞的增殖、分化和存活等，在结直肠癌等多种类型的恶性肿瘤中具有重要意义。

对于IGF 系统的初期研究多集中在IGF-1R的特定作用上［22］，随着对该系统研究的日益深入，其在肿瘤中的作用已在多项研究中得到证实。除了IGF 系统本身失调与肿瘤密切相关以外，IGF 配体、受体及其信号传导途径与其他信号网络的交互作用［23］也可对肿瘤细胞的增殖、分化、侵袭等功能产生影响。例如，IGF-2 可以激活甲状腺细胞中的IR-A 并使其表达水平升高；IGF-2/IR-A 通过自分泌促进肿瘤细胞增殖并抑制其凋亡而诱导甲状腺癌的发生［24］。Xu 等［25］发现，IGF-1 或IGF-2 的上调、IGF-1R 高表达以及PI3K/AKT 和MAPK 等信号通路中信号分子的激活可增加非小细胞肺癌发展和迁移的风险。Kim 等［26］研究发现，IGFBP-3 表达水平的降低对于IGF 活性和肺部肿瘤的形成和进展具有促进作用。

2 靶向IGF 系统抗肿瘤治疗的研究进展及相关药物

目前靶向IGF 系统进行抗肿瘤治疗的靶点主要有以下4 种：靶向配体IGF-1 或IGF-2、靶向受体IGF-1R、靶向IGFBPs 以及靶向IGF-1R 下游信号通路。具体应用的药物包括：靶向IGF-1 或IGF-2的单克隆抗体、阻断GH-IGF-1 途径的受体拮抗剂、靶向IGF-1R 的单克隆抗体或酪氨酸激酶抑制剂（tyrosine kinase inhibitors，TKIs） 或反义寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）、靶向PI3K/AKT 和MAPK 信号途径或IGFBPs 的相关药物等。

2.1 靶向IGF-1 或IGF-2 的单克隆抗体

靶向IGF-1 或IGF-2 的单克隆抗体可通过直接靶向IGF-1 或IGF-2 而阻断其与IGF-1R、IR-A、IGF-1R 与IR 杂合受体的结合， 从而抑制肿瘤细胞增殖、促进细胞凋亡［27］；也可以通过阻断IGF-1 或IGF-2 而抑制其触发IGF-1R 和IR-A 信号传导的能力。目前已开发、在研的靶向IGF-1 或IGF-2 单克隆抗体有dusigitumab 和xentuzumab（表1）。dusigitumab 与IGF-2 亲和力强，xentuzumab 则与IGF-1 亲和力更强。Dusigitumab 可 以 抑 制IGFs 诱 导 的IGF-1R和IR-A 激活，具有一定的抗肿瘤作用，但不影响胰岛素信号传导，因此不影响机体糖脂代谢水平［28］；临床试验研究显示［29］，xentuzumab 在晚期实体瘤患者中显示出一定的抗肿瘤活性，Ngo等［30］对xentuzumab 抑制IGF 信号通路的作用以及药物对肝细胞癌生长的影响进行研究后发现，xentuzumab 可以抑制小鼠异种移植肝细胞癌的生长，提高小鼠存活率，具体机制与其抑制肝脏中IGF-1R 的磷酸化和AKT 的信号传导有关。此外，相关研究还发现一种抗人IGF-1 和IGF-2 的单克隆抗体M708.5［31］（表1）。该抗体可以有效抑制IGF 诱导的IGF-1R 信号传导以及抑制乳腺癌细胞中IGF-1R 和IR 的磷酸化，且该药与吉非替尼联用可增强吉非替尼的抗肿瘤疗效。

表1 靶向IGF-1 或IGF-2 单克隆抗体的研究情况

2.2 阻断GH-IGF-1 途径的受体拮抗剂

GH 受生长激素释放激素控制，主要由垂体前叶产生。垂体前叶分泌的GH 进入血液循环后，可以在肝内促进肝脏细胞合成分泌IGF-1，因此，GH 是IGF-1 的关键调节因子，在调节细胞增殖、分化、凋亡和血管生成中发挥重要作用。在肝脏中，GH 可刺激IGF-1 的产生，而IGF-1 又可以反过来调节GH 的释放，两者建立负反馈调节机制，当GH 缺乏时，会导致肝脏中IGF-1基因表达刺激减少，IGF-1 表达水平下降［32］。GH 分泌过多可能增加患恶性肿瘤的风险。例如，在乳腺癌中［33］，GH高表达可以促进细胞的增殖、存活、迁移和侵袭等，还可以增强乳腺癌干细胞的干性，增加耐药性的发生风险，提示或许可以通过减少GH 的信号传导降低这种风险［34］。目前，一种已在国外上市的GH受体拮抗剂培维索孟（pegvisomant）可以与天然的GH 竞争，与GH 受体结合，直接阻断GH 的作用，使得IGF-1 合成减少［35］。Unterberger 等［36］研究发现，在构建的敲除PTEN基因的前列腺癌小鼠模型中，培维索孟可以阻断GH 的信号传递，减少GH 对下丘脑的负反馈，使得GH 可以在前列腺癌细胞中直接对IGF-1 水平进行调节，最终使肿瘤细胞增殖减少、凋亡增加，有效阻止肿瘤进一步发展。

2.3 靶向IGF-1R 的相关药物

2.3.1 靶向IGF-1R 的单克隆抗体

有研究发现，乳腺癌、结肠癌、肺癌和前列腺癌等多种类型肿瘤的进展通常与IGF-1R 的异常表达增加有关［37］，这说明靶向IGF-1R 进行抗肿瘤治疗有一定的应用潜力。目前，靶向IGF-1R 的单克隆抗体研究较为广泛。这类抗体可以通过阻断IGF 与IGF-1R 的结合， 诱导IGF-1R 内化和降解，下调IGF-1R 的表达水平，进而抑制受体下游的信号传导，最终对肿瘤的发生发展起到抑制作用。Ganitumab［38］是一种重组人源IGF-1R 的单克隆抗体，可以阻断IGF-1R 与IGF-1、IGF-2 的相互作用。但各种串扰和补偿机制可能导致其与信号通路发生相互作用，进而对正常细胞产生影响。目前研发的几种药物中，ganitumab 和dalotuzumab 在临床前研究中均显示出较好疗效［39］，但在之后的临床试验中效果较差，且大多数患者都出现了高血糖、血小板减少、中性粒细胞减少症等不良反应，其中高血糖的发生可能是由GH-IGF-1 负反馈调节机制被激活导致。靶向IGF-1R 的单克隆抗体不抑制杂合受体IGF-1R/IR-A 介导的信号传导，提示IGF-1R 信号传导也可以因IR-A 的激活而受到抑制［40］，进而导致靶向IGF-1R 的单克隆抗体的治疗效果不佳。靶向IGF-1R 的单克隆抗体虽然可以对肿瘤的发展起到抑制作用，但在使用相关药物时，仍要做好用药监护，充分重视因用药产生的不良反应并及时采取措施。目前研发的靶向IGF-1R 单克隆抗体药物的类型、作用机制及在研适应症见表2［38-39，41-44］。

表2 靶向IGF-1R 单克隆抗体的研究情况

2.3.2 靶向IGF-1R 的小分子TKIs

IGF-1R 是RTK 家族的主要成员之一，通过与配体结合，使得靶蛋白的酪氨酸残基磷酸化，进而在细胞穿膜信号转导中发挥作用。RTK 不仅是调节正常细胞生物活动的关键因子，还在多种类型恶性肿瘤的发展和恶化中起关键作用［39］，提示可以通过特异性靶向RTK 来达到治疗肿瘤的目的。RTK 属于酪氨酸激酶家族，有研究表明，TKIs 具有较高的抗肿瘤活性，在结直肠癌［40］、鼻咽癌［45］中可以抑制异常细胞的存活、诱导异常细胞凋亡。目前处在研究中的药物主要有BMS-754807、linsitinib 和picropodolylin 等，其中linsitinib 是一种强效、高选择性的体外抗IGF-1R 的TKIs，可以通过抑制 IGF-1R 自磷酸化，阻断下游信号传导而达到抗肿瘤作用，目前已进入Ⅱ期临床试验阶段［46］。TKIs除具有抗肿瘤活性外，还可以有效抑制IR 和IGF-1R 激酶的活性，因此在使用此类药物时应警惕其可能导致的代谢功能紊乱以及高血糖、胰岛素抵抗等的发生风险。

此外，由于IR 和IGF-1R 结构具有同源性，同属于RTK 家族，两者在胞内区域的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP） 结合位点极其相近，因此仍需探索其他方法来进一步抑制IGF-1R，而不是直接靶向ATP 结合位点导致同时抑制IR。最新研究发现，环木酚素中的一种成分picropodolylin 可以选择性抑制IGF-1R 功能而不会对IR 的活性产生干扰［47］，这一新发现也为临床的肿瘤治疗提供了新方法。目前研发的靶向IGFIR 的小分子TKIs 药物的类型、作用机制及在研适应症见表3［46-48］。

表3 靶向IGF-IR 的小分子TKIs 研究情况

2.3.3 靶向IGF-1R 的ASO

ASO 是抑制IGF-1R 信使RNA（messenger RNA，mRNA）翻译的分子药物之一，主要是通过Waston-Crick 碱基配对的方式与特定的RNA靶序列进行结合并通过不同机制对蛋白质的表达发挥调节作用［49］，可在RNA 水平上靶向疾病源。目前，ASO 相关药物在体外和体内靶向mRNA 和非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA） 的能力已被初步验证，并被开发用于控制疾病。Lang 等［50］研究了ASO 干扰PCAT6 的治疗效果，设计了一种靶向PCAT6 的ASO 药物并通过使用骨转移模型对其在体内的治疗效果进行研究。结果显示，靶向PCAT6 的ASO 药物可抑制体内骨转移，且发病率有所降低、溶骨面积缩小，且显著延长了总体生存期和无骨转移生存期，提示靶向PCAT6 的ASO 可能是治疗前列腺癌骨转移的一种有效方法。Ghosh等［51］通过对大鼠肝癌H4IIEC3 细胞中3 种ASO（ASO-1、ASO-2、ASO-3） 进行研究， 发现ASO 可以阻断IGF-2基因的过表达，其中ASO-1可以显著抑制肝癌的进一步发展。ATL1101 是一种针对IGF-1R 的修饰ASO，通过ATL1101 转染前列腺癌细胞系，发现其可以抑制细胞生长、促进细胞凋亡；在体内实验中，经ATL1101 治疗后，前列腺癌小鼠模型肿瘤生长速度显著降低［52］。上述研究均提示靶向IGF-1R 的ASO 是一种具有有效抗肿瘤作用的药物。

2.4 靶向IGF-1R 下游通路的相关药物

IGF-1 可以特异性结合IGF-1R 并激活细胞内的信号通路（主要为PI3K/AKT/mTOR 和MAPK）。靶向IGF-1R 下游信号通路、抑制AKT和MAPK 信号传导途径的促肿瘤作用是治疗肿瘤的有效方法，主要药物分为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）抑制剂和丝裂原细胞外激酶（mitogen-activated extracellular signal-regulated kinase，MEK）抑制剂两大类。

PI3K/AKT/mTOR 信号通路在促进肿瘤细胞增殖、转移和存活方面具有关键作用，mTOR 抑制剂主要通过阻断关键信号传导而发挥抗炎、抑制细胞增殖作用，目前已被应用于多种恶性肿瘤的治疗研究中，代表药物依维莫司（everolimus）已通过相关试验证明其在乳腺癌的治疗中具有较好疗效和较高的安全性［53］。但这类药物仍存在不足，例如长期使用易产生耐药性［54］。

MAPK 信号传导途径对于细胞间和细胞内的信号传导至关重要，它主要负责调节细胞的生长、分化、凋亡等基本功能［55］。MEK 位于MAPK 通路的下游，可高度调节细胞增殖、分化、凋亡和应激反应。目前，美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）已批准了4 种MEK 抑制剂， 包括trametinib、binimetinib、selumetinib和cobimetinib。这4 种药物均为ATP 非竞争性MEK 抑制剂，不易与其他靶标产生交叉抑制。其中trametinib 和dabrafenib 联合使用的治疗方案是唯一获批用于治疗BRAF V600E突变非小细胞性肺癌患者的方案［56］，其中BRAF是RAS/RAF/MEK/MAPK 信号通路中的关键致癌基因。但在临床应用中，MEK 抑制剂也存在耐药风险，其原因可能为RAS 可以同时靶向ERK/MAPK 和PI3K/AKT 两条信号通路，但这两条信号通路之间可能存在交叉或相互调节的现象，因此会导致MEK 抑制剂耐药。

2.5 靶向IGFBPs 的相关药物

IGFBPs 是IGF-1、IGF-2 的高亲和力调节剂，在促进细胞增殖、分化、存活、迁移和侵袭等方面具有调节作用，且与免疫调节、代谢、恶性肿瘤一系列生理病理过程相关［15］。IGFBP-1 与包括肝癌、乳腺癌、子宫内膜癌以及胃癌在内的多种恶性肿瘤密切相关［57］，Yang 等［58］在一项关于熊果酸在肝细胞癌中抗肿瘤作用的研究中发现，熊果酸通过p38（MAPK） 诱导IGFBP-1 和FOXO3a 的表达水平，进而抑制肝细胞癌的增殖。IGFBP-2 具有促癌作用，其表达水平与前列腺癌、卵巢癌和乳腺癌等多种恶性肿瘤中的肿瘤细胞侵袭性和已建立的肿瘤标记物之间存在正相关关系。磷酸酯酶与张力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN）位于PI3K/AKT 信号通路的上游，是一种抑制PI3K/AKT 信号传导的肿瘤抑制因子，可以下调肿瘤细胞中的IGFBP-2 表达水平，提示可以通过靶向PTEN 达到抑癌的目的［59］。IGFBP-3 是所有IGFBPs 类型中被研究最广泛的一种多功能蛋白，在早期研究中其已被证明具有显著的抗肿瘤作用以及抑制 IGF-1R、AKT 和EKR 信号传导激活的作用［15］。有研究发现，IGFBP-3 的受体TMEM219 还可以作为某些恶性肿瘤的诊断和预后生物标志物［60］。IGFBP-4 在结肠癌、前列腺癌中可以抑制细胞凋亡，阻止恶性肿瘤发生，且具有体外抑制IGF 的作用。相关研究表明［61］，对IGFBP-4基因进行敲降可以有效阻止肺癌细胞的生长，且IGFBP-4 表达水平与肺癌患者的预后呈负相关，提示IGFBP-4可能成为肺癌的一种新的生物标志物。IGFBP-5 由于所处环境的不同而发挥抑制或促进IGF-1R 信号传导的作用［62］。IGFBP-5 可以增强IGF 对骨肉瘤细胞的抗凋亡作用［63］，其表达水平的上调与结直肠癌患者的肿瘤分化、淋巴结转移、耐药性和预后不良等有关［64］。IGFBP-6 对于IGF-2 的亲和力约为IGF-1 的50 倍，所以其主要抑制IGF-2 的作用，即抑制肿瘤细胞的分化、增殖、迁移以及体外存活等［58］。有研究表明［65-66］，可以通过测定IGFBP-6的表达水平对乳腺癌、胃癌和鼻咽癌复发进行预测。

3 小结

本文通过对IGF 系统中的配体、受体、结合蛋白及相关下游信号通路进行研究，发现IGF 系统在肿瘤的发生发展中具有重要作用。由于IGF 系统组分复杂，又影响多条信号传导途径，因此，尽管靶向IGF 系统抗肿瘤药物在临床前研究中取得了较好结果，但其在进行临床试验时仍多以失败告终，靶向IGF 系统的抗肿瘤治疗仍面临巨大挑战。分析其失败原因可能包括：①药物在靶向IGF-1R 的同时也可对其他信号传导途径产生干扰，这可能是由IGF-1R 和IR 所形成的杂合受体导致。IGF-1R 与IR 高度同源，结构几乎相同［67］，所形成的杂合受体包含IR 和IGF-1R 各自的一个α亚基和一个β亚基。除此之外，IR 由单个基因编码，转录期间的交替剪接导致生成不同亚型（IR-A 或IR-B）。在整个IGF 系统中，主要包含3 种配体IGF-1、IGF-2和胰岛素，靶向IGF-1R 的药物与至少6 种受体（I R-A、I R-B、I R-A/I R-B、I G F-1 R、I G F-1R/IR-A、IGF-1R/IR-B） 相互作用。 ②有些药物在对肿瘤细胞产生作用的同时也可对人体正常细胞以及生理功能产生不良影响，这可能是由于在临床用药过程中尚未寻求到合适的剂量范围，使其在对肿瘤细胞产生作用的同时将对人体的不良反应降至最低。

未来可从以下几个方面进行研究：①厘清相关信号通路，减少信号通路之间的串扰对结果产生的影响。②通过与其他药物联用，提高治疗效果，减少不良反应。③开发具有高亲和力和高特异性的治疗药物，如可以特异性靶向IR-A、而不影响IR-B的代谢功能的药物。④从miRNA、lncRNA 水平上靶向其相关基因从而进行下一步深入探究。随着相关研究的日益深入，靶向IGF 系统将会成为一种具有广泛前景的临床抗癌治疗新方法。