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巯嘌呤的故事: 长达70年意想不到的旅程
文献来源: J Crohns Colitis. 2022 Aug 4;16(7):1177-1183
整整70年前，在硫鸟嘌呤[TG]被开发之后不久，Gertrude Elion和George Hitching 发现并开发了巯嘌呤 [MP]。
Gertrude Elion 和 George Hitching
巯嘌呤[MP]的发现，为当时白血病患者带来了一种新的治疗选择，并且到目前为止MP和TG仍然用于治疗白血病。
为了防止首过效应并获得更稳定的药物浓度，1957年Elion进一步开发出了硫唑嘌呤 [AZA]，AZA在人体内被吸收后会转化为 MP。
所有三种巯嘌呤（TG、MP、AZA）目前仍被用于预防移植器官排异，而且用于白血病和多种自身免疫性疾病的维持治疗。
巯嘌呤类药物以及其他几种药物的药物开发，是通过对药物代谢和生化过程的不断理解，逐步优化而完成的。
由于这种药物研发的方法，1988年 Elion、Hitching和James Black 一起获得了诺贝尔生理学或医学奖。
为了纪念巯基嘌呤 [MP] 用于疾病治疗70 年这一里程碑，并纪念纪念Gertrude Elion，我们将一起回顾巯嘌呤治疗的发现历史，并重点关注巯嘌呤在 IBD 中的治疗。
1. 格特鲁德·贝尔·埃利昂(Gertrude Belle Elion)
1918 年 1 月 23 日，Gertrude Belle Elion出生于美国纽约市的一个移民家庭。
高中毕业后，她需要选择一个专业，而决定因素之一是她的祖父在她 15 岁时因癌症去世。
祖父的去世让Elion非常有动力去研究和探索，寻找可能会治愈这种可怕疾病的方案。
于是Elion开始学习化学，并于 1937 年以优异的成绩毕业。此后她多次申请助学金和研究金。
但由于当时处于美国经济大萧条，没有多少工作机会，尤其是在男性主导的科研领域，女性更是如此。
1939 年秋天，她带着一年的学费进入纽约大学，兼职做接待员并参加了教育课程，让她可以在公立学校任教以帮助支付她的费用。
凭借着坚韧的毅力，Elion在 1941 年作为班上唯一的女性获得了化学硕士学位。
当时正处于第二次世界大战，实验室对女性工作者的需求增加，于是Elion在一家大型食品公司找到了一份质量检测的工作。
1944 年，Elion加入了伦敦的威康研究实验室，并开始担任Hitchings(希钦斯)博士的研究助理。
当时，药物研发主要通过反复试验的方法，但Elion和Hitchings博士决定尝试一种新的思路。他们基于对人体生理/生化过程的理解来寻找合理的药物研发方案。
这一尝试很快取得了效果，1950年开发出了嘌呤拮抗剂（TG），随后在1951年开发出巯嘌呤(MP) ，在1957年开发出硫唑嘌呤(AZA)。
遵循这一创新药物设计路线，Elion 和 Hitchings 还开发了治疗痛风 [别嘌醇]、细菌感染 [甲氧苄啶]、疟疾 [乙胺嘧啶]、艾滋病毒/艾滋病 [叠氮胸苷]和疱疹病毒感染[阿昔洛韦]的药物。
Elion在整个职业生涯中共获得了 45 项专利，她的工作已成为许多其他研究者开发治疗药物的基础。
1976 年，她担任 Burroughs Wellcome 治疗实验室的负责人，直到 1983 年退休之后，她继续担任顾问和名誉科学家，并成为杜克大学医学和药理学研究教授.
1988 年，Elion与 George H. Hitchings 和 James W. Black 爵士一起，获得了诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们治疗药物研发方面的重要贡献。
Elion于 1999 年 2 月 21 日去世，享年 81 岁。在她去世后，人们对她开创性的药物开发工作的表示敬意。
2. 治疗白血病的药物
1944 年，当 Elion 加入 Wellcome 研究实验室时，人们对核酸认识还很有限。只知道核酸含有嘌呤和嘧啶，但序列未知。
基于 Wood 和 Fildes 的抗代谢物理论，Hitchings 推测，所有细胞都需要核酸才能存活，因此这些碱基的拮抗剂可能会阻止快速分裂细胞的生长。因此Elion被指派研究这些抗代谢物。
到1951 年，利用微生物干酪乳杆菌，Elion所在的研究小组制造并检测了100多种嘌呤类化合物，他们发现在次黄嘌呤和鸟嘌呤化学结构的6号位点，用硫取代氧会产生 6-巯基嘌呤 [6-MP] 和 6-硫鸟嘌呤 [6-TG]。
研究人员随后对6-MP和6-TG进行了测试，结果发现正如 Hitching 所假设的那样，这两种化合物确实对许多啮齿动物肿瘤和白血病具有治疗效果。
硫鸟嘌呤（6-TG）抗肿瘤作用更强，但毒性更大，更难合成。鉴于6-MP作用机制与6-TG相似，进一步对6-MP的临床疗效进行了探索。
在一些动物研究之后，很快就在急性白血病儿童中进行了第一次 MP 临床试验，发现在一些儿童白血病患者中实现了完全缓解（尽管其中大多数患者后来仍会复发）。
最初，这些白血病儿童的预期寿命约为 3 个月，但在服用MP治疗后，中位生存时间增加到 12 个月。
因此1953美国食品和药物管理局 [FDA] 批准MP用于儿童白血病的治疗。
在巯嘌呤（MP）的基础上，研究人员进一步优化药物结构，尝试在细胞内释放 MP 以防止首过效应并获得更稳定的药物水平。终于在1957 年开发出 1-甲基-4-硝基-5-咪唑基衍生物，现在称为硫唑嘌呤 [AZA]。
硫唑嘌呤(AZA)是 MP 的前体药物，在肝脏中通过谷胱甘肽S-转移酶 [GST] 转化为 MP。
硫唑嘌呤与 MP 一样有效，在小鼠的研究显示毒性较小。但在白血病患者中观察到，AZA 和 MP 的治疗指数没有差异。
由于 MP 是第一个在急性淋巴细胞白血病儿童中表现出治疗活性的嘌呤类化合物，因此40 多年以来，这种药物一直是这些儿童白血病患者化疗的中流砥柱。
而另一方面，首先合成的硫鸟嘌呤（TG）从未在这些儿童白血病患者中进行过广泛测试，随后也几乎不再使用。
自从巯嘌呤（MP）开始用于临床实践以来，人们对其药理学特点有了很多了解。
所有这三种前药（TG、MP、AZA）都需要经过广泛代谢，才能转化为活性细胞毒性的代谢物 6-硫鸟嘌呤核苷酸 [6-TGN]，但AZA和MP都需要经过多个酶促步骤，而TG可以直接转化为 6-TGN。
这种更直接的代谢激活，导致TG在理论上优于MP，特别是MP治疗期间 6-TGN浓度较低的儿童复发风险增加，而TG在较低浓度下就可以发挥其细胞毒性。
为了比较TG和MP治疗儿童白血病的疗效，进行了几项随机对照研究，但这些研究的结果结果并不一致。
两项研究显示TG和MP的疗效没有差异，但TG的非致命性肝毒性变化更大或骨髓抑制时间延长。另一项研究研究报告TG治疗的患者的 7 年无进展生存率显著更高，但毒性也较高。
如今，MP 和 TG 仍然是用于治疗急性淋巴细胞白血病众多药物的成员，几乎80%的儿童可以治愈。
3. 器官移植后排异反应
白血病的淋巴细胞与炎症反应过程中淋巴细胞的形成具有相似之处，因此1958年Robert Schwartz（罗伯特 施瓦茨）研究了 MP 对免疫和炎症的影响，发现用 MP 治疗的兔子，无法对外来抗原产生抗体反应。
在这一重要观察结果发布之后，一位名叫Roy Calne的年轻英国外科医生评估了MP 对狗肾移植后排异反应的影响。
通常，肾脏同种移植物在4-8天后停止功能，但在每天服用 MP 后，肾移植的狗获得了47 天的肾脏存活率。
随后的研究表明，硫唑嘌呤(AZA) 在预防肾同种移植排斥方面优于 MP，因为效果相似但毒性更小。
1962 年，研究人员第一次成功将肾脏移植到没有亲缘关系的人体中，当时采用的抗排异免疫抑制方案，由每日AZA和每周放线菌素组成。
如今，AZA 仍然是肾、肝、心或肺等器官移植后用作抗排斥药物的众多药物选择之一。
4. 克罗恩病
1980 年，Daniel Present首次通过随机安慰剂对照试验，报道巯嘌呤类药物在诱导克罗恩病 [CD] 缓解方面的疗效。
经过2年的随访，该研究表明对于严重 CD 患者，巯嘌呤（MP）在减停激素和瘘管闭合方面比安慰剂更有效。
这个研究首先注意到硫唑嘌呤（AZA）延迟起效的问题（现在已经众所周知），因为平均起效和应答的时间为 3.1 个月。
此次之外，其他几项研究也试图评估巯嘌呤（MP）作为诱导治疗的有效性，但不同研究的应答率有所差异。
一项荟萃分析纳入上述研究结果进行了比较，结果表明巯嘌呤类药物和安慰剂在CD诱导缓解方面没有差异，证实巯嘌呤类药物起效较慢。
因此临床指南不建议使用巯嘌呤类药物，作为活动性 CD 患者诱导缓解的药物。
2010 年，SONIC随机对照试验证实了，巯嘌呤(MP)作为联合治疗在诱导和维持 CD 患者无激素缓解缓解方面的优越性。
结果显示硫唑嘌呤（AZA）+英夫利西单抗（IFX）联合治疗的疗效，优于AZA或IFX单药疗法。
除了联合治疗的临床缓解率更高外，联合治疗组的英夫利西单抗的血清谷浓度也显著更高，与英夫利西单抗单药治疗相比，产生抗药抗体的风险更低[0.9% vs 14.6%]。
由于在该研究结果，目前推荐中重度CD患者在开始使用英夫利西单抗时，联合巯嘌呤治疗。
但与英夫利西单抗不同，由于药物免疫原性本身较低，阿达木单抗、维得利珠单抗或乌司奴单抗与巯嘌呤联合使用，似乎在实现临床缓解方面并无明显益处。
但在由于免疫原性导致疗效丧失的情况下，巯嘌呤联合阿达木单抗具有额外的治疗价值，可能降低抗药物抗体水平并恢复临床应答。
直到1995年，通过随机双盲对照研究证明了 AZA 作为CD维持治疗的有效性。
共有63名CD患者接受了 12 周的泼尼松的治疗，同时开始接受 AZA 或安慰剂治疗。12 周后，两组之间没有显著差异，但在治疗15个月后，AZA组缓解率为42%而安慰剂组仅为7% [ p=0.001]。
这一结论被后来一项荟萃分析证实，该荟萃分析表明 AZA 在维持缓解方面确实显著优于安慰剂，RR=1.19 [95% CI 1.05-1.34]。
因此，尽管证据质量较低，目前仍推荐AZA和MP用于CD患者维持疾病缓解。
5. 溃疡性结肠炎
1962 年，Bean 发表了第一篇使用巯嘌呤（MP）治疗溃疡性结肠炎 [UC] 的病例报告。
从那时起，多项研究评估 硫唑嘌呤（AZA）或 巯嘌呤（MP）在 UC 患者中的有效性，但结果相互矛盾。
2006年进行了一项随机、研究者盲、对照研究，比较了AZA与5-氨基水杨酸 [5-ASA] 在激素依赖性UC患者诱导缓解方面的有效性。
结果表明，在激素依赖性UC 患者中，AZA在诱导缓解和减停激素方面比5-ASA更有效。
此外，巯嘌呤（MP）还被推荐用于在美沙拉嗪治疗期间不耐受或复发的轻度至中度疾病活动的 UC 患者。
7. 硫鸟嘌呤(TG)再发现
多项研究表明，治疗期间AZA/MP实际给药剂量并不是最重要的，而其活性代谢产物 6-TGN 的浓度与临床反应和缓解具有相关性。
但部分IBD患者观察到体内6-TGN浓度始终无法达到治疗性水平，在这些患者中增加MP药物剂量后并没有导致6-TGN如预期上升，而是优先会被代谢成6-甲基巯基嘌呤 [6-MMP]，而6-MMP是一种会导致副作用代谢物，而不是疗效。
如前所述，与 MP 治疗相比，TG 具有更直接的酶促代谢途径，会形成具有治疗作用的6-TGN，产生最少的甲基化代谢物，并导致更高的红细胞 6-TGN 水平。
2001 年，这些观察结果引发了一项初步研究，在部分CD患者中测试了硫鸟嘌呤（TG）的疗效和安全性，这些患者均由于代谢优先产生6-MMP而导致6-TGN浓度不足，导致AZA/MP 治疗效果不佳。
这项研究结果显示，70%的患者对TG有应答，TG使用之后患者体内6-TGN 水平比 MP 治疗期间观察到的高 9 倍，并且没有形成 6-MMP。
因此这项研究证实：在AZA/MP治疗失败后，TG 似乎是一种有效的替代方法。
尽管取得了所有上述有希望的结果，但 Dubinsky等人在 2003 年提出了TG的安全性问题。研究证明TG与IBD患者结节性再生增生[NRH]之间存在很强的相关性。
研究者得出的结论是，TG 的毒性特征超过了其临床获益，并且由于相关的NRH风险。因此在常规巯嘌呤治疗失败后，TG被放弃作为IBD患者的替代治疗选择。
但考虑到TG 对 AZA/MP 治疗失败的患者的有效性，以及20 mg/天给药方案安全性数据，2015 年TG 在荷兰有条件地被许可用于巯嘌呤缺乏疗效或不良反应之后的替代治疗。
7. 巯嘌呤代谢和药物遗传学
在人体内，硫唑嘌呤（AZA）通过非酶促或谷胱甘肽S-转移酶 [GST]，被转化为MP（巯嘌呤）。
在这种转化之后，在人体内存在不同的代谢途径，而且这些代谢途径是相互竞争的。
巯嘌呤甲基转移酶 [TPMT]会将MP甲基化为 6-MMP，这种化合物会造成副作用，但没有疗效。
另一方面，黄嘌呤氧化酶会将MP分解代谢为6-硫尿酸 [6-TUA]，而次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶 [HGPRT] 的代谢途径，最终导致形成具有治疗药理活性的6-TGN，由6-硫鸟嘌呤单磷酸 [6-TGMP]、6-硫鸟嘌呤二磷酸 [6-TGDP] 和 6-硫鸟嘌呤三磷酸组成 [ 6-TGTP]。
当巯嘌呤（MP）以相对低的剂量使用时（如在IBD治疗中），主要的治疗作用模式归因于6-TGTP与GTPase RAC1 的结合，诱导T淋巴细胞的凋亡。
为了增强 MP的疗效，Elion发现并开发了别嘌呤醇。这是一种黄嘌呤氧化酶抑制剂，可以阻止MP分解代谢为 6-TUA。
从 1960 年代早期对小鼠和人类的多项研究表明，别嘌呤醇可以使巯嘌呤（MP）的免疫抑制和抗肿瘤特性增强4倍。
但通过抑制 6-TUA 形成所提出的作用机制似乎并不完全正确，因为添加别嘌呤醇也会导致 6-MMP的减少，同时导致药理活性6-TGN的浓度升高。
尽管其中的生物学机制仍有待完全阐明，但添加别嘌呤醇会使硫代黄嘌呤水平升高，而硫代黄嘌呤是TPMT活性的抑制剂。
如今，对于那些MP会被优先代谢为6-MMP的患者，降低MP浓度并添加别嘌呤醇被认为是接下来可以考虑的治疗方案。
1989 年，Lennard等人通过研究证明巯嘌呤代谢会受到遗传影响。TPMT 基因多态性以及因此的酶活性变异，是导致不同患者接受巯嘌呤治疗后疗效和毒性作用个体差异的重要原因。
在发现巯嘌呤代谢的遗传差异后，很快陆续发表了几份病例报告，表明TPMT活性较低的患者会观察到6-TGN水平极度升高，进而造成严重骨髓毒性的风险。
目前已鉴定出40多个TPMT基因的单核苷酸多态性。但遗憾的是，73%巯嘌呤常规剂量治疗期间所观察到骨髓毒性，并不能通过TPMT酶活性降低来解释。
因此，在临床实践中使用MP或AZA之前是否应该检测TPMT 基因分型，一直存在争议。
一项纳入30家荷兰医院的成本效益分析表明，与标准治疗相比，TPMT基因型指导治疗是一种具有成本效益且安全性更高的选择。
TPMT活动缺乏的发生率因种族而异。研究显示与白种人相比，亚洲人群很少观察到TPMT活性缺乏；
然而，尽管TPMT基因突变的频率在亚洲人群中较低，但亚洲患者使用巯嘌呤治疗后发生白细胞减少症的风险一直相对较高。
其中的原因在2014年被发现。Yang等人的研究显示亚洲人群NUDT15基因的变异与巯嘌呤的毒性反应有关。
NUDT15 是一种编码嘌呤特异性Nudix水解酶，该酶可将活性代谢物6-TGTP去磷酸化代谢为6-TGMP。
目前已知，NUDT15基因的变异是巯嘌呤诱导的骨髓毒性的主要遗传原因，尤其是在亚洲人群中。
除了 TPMT 和NUDT15的基因多态性之外，负责将AZA转化为MP的GST基因多态性也可能在AZA疗效和不良事件的发生中发挥作用。
一些小型研究表明，与 GST-M1正常的患者相比，缺失 GST-M1（一种 GST同工酶）的患者体内6-TGN浓度较低，这就需要更高的AZA治疗剂量。
为了阐明AZA疗效、耐受性和不同GST基因多态性之间的关系，未来还需要进行更大规模的前瞻性研究。
最近的研究表明，除了众所周知的全身性代谢途径之外，TG还容易发生细菌代谢。
研究显示肠道细菌会将TG代谢成6-TGN，用对自发性结肠炎小鼠给予TG灌肠治疗，可以观察到远端结肠炎的快速改善。
进一步的研究显示，IBD 患者接受了TG灌肠剂或栓剂的治疗后，疗效良好且起效快速。
8. 关注巯嘌呤的安全性
副作用和安全性问题，是巯嘌呤绕不开的话题。
巯嘌呤治疗期间不良事件的发生很常见，一些研究中报告副作用的发生率高达 40%。
值得注意的是，这些研究中观察到的不良事件部分与剂量无关（例如恶心、不适或胰腺炎），部分与剂量有关，并且通常与6-TGN 或 6-MMP浓度（即骨髓抑制或肝毒性）有关。
巯嘌呤常规剂量治疗失败的患者使用TG治疗，也可能发生与剂量无关的不良事件，但观察到的副作用发生率似乎低于巯嘌呤常规剂量。
尤其是那些1960 年代首次使用巯嘌呤治疗的移植患者中，也观察到巯嘌呤与淋巴组织增生性疾病的发展，被怀疑与巯嘌呤有关。
接受巯嘌呤治疗的IBD患者，同样有药物毒性、副作用和淋巴瘤的担心。目前的研究提示，巯嘌呤确实与淋巴瘤风险增加相关。
但在停止巯嘌呤治疗后，这种增加的风险似乎不会持续存在。
在 1960 年代，在接受巯嘌呤治疗的移植患者中首次观察到皮肤恶性肿瘤的报道，并且现已众所周知，长期巯嘌呤治疗期间发生非黑色素瘤皮肤癌的风险增加。
10. 总结
即使在 1988 年格特鲁德·埃利昂 (Gertrude Elion) 获得诺贝尔生理学或医学奖之后，巯嘌呤意料之外的发展之旅仍在继续。
通过进一步的研究，我们正在深入了解巯嘌呤代谢和作用方式的新细节。
在这一化合物被发现70 年后，巯嘌呤仍然被用于预防器官移植的排异反应，作为抗白血病药物，以及用于多种自身免疫性疾病的维持治疗。
（本文仅供个人学习）
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