综述：炎症与癌症中的COX-2抑制剂：药物化学近期进展

《European Journal of Medicinal Chemistry》：COX-2 Inhibitors in Inflammation and Cancer: Recent Developments in Medicinal Chemistry

这篇综述（2020-2026）系统阐述了COX-2（环氧化酶-2）在慢性炎症和癌症发展中的核心作用及其作为治疗靶点的重要性。文章重点分析了基于五元氮唑杂环骨架的新型COX-2抑制剂的最新研究进展，介绍了相关分子机制、FDA批准药物及临床试验动态，为相关药物的理性设计与开发提供了深入的见解和资源。

　　

慢性炎症被认为是癌症等多种严重疾病发生和发展的关键驱动因素。环氧化酶（COX）是炎症过程中的关键酶，其异构体COX-2在多种疾病状态（如肝硬化、甲状腺炎、多发性硬化、神经退行性疾病、类风湿性关节炎、克罗恩病、溃疡性结肠炎和癌症）中持续高表达。COX-2具有双重角色，既能产生促炎介质，也能产生抗炎介质，凸显了其多面性的复杂本质。因其在多种疾病中的重要作用，COX-2已成为药物化学中一个至关重要的靶点，推动了特异性抑制其活性的药物开发。

本文聚焦于长期炎症与癌症之间的紧密关联，并阐释了连接两者的关键分子过程。文章概述了临床试验的最新进展以及FDA批准的相关药物，展示了它们在治疗此类疾病中的作用和重要性。分析涵盖了过去七年（2020-2026年）的研究发展，特别关注含有五元氮唑杂环骨架的化合物。这为从事抗炎和抗癌新分子理性设计与开发的药物化学家提供了宝贵的资源。同时，肿瘤学家和药理学家也需要了解以COX-2为靶点的药物不断演变的治疗模式。

1. 引言

炎症是机体应对感染、受损细胞和过敏原等有害内外因素的一种复杂生理反应和先天防御机制。它通常由五个基本体征识别：发热（calor）、疼痛（dolor）、发红（rubor）、肿胀（tumour）和功能丧失（function laesa）。近年来，持续性炎症性疾病已成为全球主要的死亡原因。炎症分为急性和慢性两种。急性炎症发生迅速、持续时间短；而慢性炎症则持续较长时间，会导致多种疾病，如心血管疾病、神经退行性疾病、自身免疫性疾病、抑郁症、糖尿病和癌症。在所有这些疾病中，恶性肿瘤是全球最严重的健康问题，是第二大死亡原因。它触发了一系列复杂事件，导致机体释放各种炎症物质。

1863年，德国病理学家Rudolf Ludwig Carl Virchow首次观察到慢性炎症与肿瘤生长之间的联系。通过观察肿瘤组织中的白细胞，他提出炎症在癌细胞的发展和进展中起关键作用，并提出了“淋巴网状细胞浸润”这一术语来指示慢性炎症中的癌症早期阶段。慢性炎症通过提高多种物质（如生长因子和活性分子）的释放来激活癌细胞，这些不稳定的分子会损伤DNA并导致引发癌症发展的突变。多种炎症介质（如细胞因子、趋化因子、前列腺素和酶）驱动这一过程。研究表明，大约15-20%的癌症始于长期炎症。这些标志物通过类二十烷酸途径诱导炎症反应，该途径涉及关键酶，如花生四烯酸（AA），其进一步被COX代谢，释放调节炎症、血流和免疫的化学信号。

COX酶在触发机体炎症反应中至关重要，并且与肿瘤生长密切相关。当这些酶过度活跃时，会增加花生四烯酸（AA）级联反应不可避免的副产物水平，这种过度生产与人类多种炎症性疾病的生长有关。COX-2通常在炎症反应中产生更多前列腺素的细胞中存在。炎症刺激和肿瘤组织可激活这个可诱导的基因，而COX-1则是组成性表达，无需诱导。COX-2水平升高常见于癌症等慢性疾病，它通过血管生成、免疫逃逸和程序性细胞死亡抵抗等机制帮助癌细胞生长和扩散。它激活前列腺素（PGs），如PGE₂，后者支持癌症生长和扩散。COX-2已在约40%的乳腺肿瘤中被发现，但一些研究报告其在高达84%的病例中存在。它还涉及多种其他类型的癌症，包括食道癌、胃肠道癌、胰腺癌、宫颈癌、肾癌、前列腺癌、膀胱癌、皮肤癌、头颈癌、血癌和间皮瘤。

此外，临床研究数据显示，在使用非选择性抑制COX-1和COX-2的非甾体抗炎药（NSAIDs）后，乳腺癌、肺癌、前列腺癌和结肠癌的发病率降低。1971年，Vane及其同事首先发现吲哚美辛和阿司匹林通过阻止COX酶功能来减少前列腺素的产生，这显示了炎症与COX之间的直接相互作用。因此，人们发现NSAIDs直接影响COX活性，即前列腺素合成所需的酶，主要是通过共价修饰酶或与活性位点的底物结合。COX-2抑制剂最初是为了降低NSAIDs引起的胃肠道副作用而开发的，后来显示出在肿瘤和其他慢性炎症性疾病中的治疗潜力。这些活性物质通常在组织修复或癌症状况下上调COX-2。其他信号通常激活细胞内通路，如NF-κB、MAPK或STAT，从而增加COX-2表达。

2. COX酶

2.1. 背景

COX酶，也称为前列腺素-内过氧化物合酶（PTGS），是一组将花生四烯酸转化为前列腺素及其类似物的酶。迄今为止，已报道了三种不同的COX：COX-1、COX-2和COX-3。以前，人们认为只有一种COX：COX-1，有时称为“组成型”变体。它在所有存在它的组织（如肾、胃和血小板）中发挥平衡作用，并且在正常生理情况下具有“看家”活性。它具有细胞保护特性，并调节血小板活性、肾功能和胃肠功能。

COX-1执行身体的常规保护功能，而COX-2仅在压力和损伤下被激活。尽管COX-2在正常情况下通常不活跃，但最近的研究表明它在各种身体系统中也发挥着重要作用。在中枢神经系统中，特别是在下脊髓，它在增加机体对疼痛的敏感性（称为痛觉过敏）方面起着至关重要的作用。除了神经系统，它在消化道的胃壁保护和愈合中也起作用。研究表明，在溃疡等情况下，其水平会增加，并有助于愈合过程。COX-2位于肾脏的致密斑部分。当盐水平低时，其活性增加，并有助于调节肾素的释放，肾素是一种控制血压的激素。COX-2抑制剂可以阻断这种效应，而COX-1抑制剂则不能。

除了在肾功能和血压调节中的作用外，COX-2还通过产生保护血管的前列环素来支持心血管健康。研究表明，即使在产生前列环素的作用之外，COX-2在预防动脉粥样硬化等疾病方面也发挥保护作用。在生殖系统中，COX-2对女性的排卵、受精和着床很重要。在男性中，用阿司匹林等药物阻断COX-2与精子产生减少和精子细胞结构变化有关。最后，在类风湿性关节炎、阿尔茨海默病和癌症等炎症性疾病中，COX-2有助于将AA转化为前列腺素和血栓烷等信号分子。在慢性阻塞性肺病（COPD）等疾病中，COX-2活性增加，提高了PGE₂水平，这可能产生有益和有害的影响。仔细控制这些分子可能有助于治疗炎症相关疾病。

此外，COX-2酶表现出可诱导的作用。另一个观察到的形式COX-3，是COX-1的剪接变体，最初由Simmons等人于2002年发现。它在疼痛和发烧中扮演特殊角色，但不参与炎症。

2.2. 结构

在结构上，所有COX酶都具有相似的特征：它们是同型二聚体和单拓扑膜蛋白，这支持了它们在功能差异之外的前列腺素合成中的共同作用。尽管两种环氧化酶执行相似的功能，但由于它们由不同的基因编码，它们在化学结构、细胞内定位和生物学作用上有所不同。两种酶都锚定在细胞膜上，通常在内质网（ER）中，在那里它们帮助从AA合成和运输前列腺素。这两种酶在大小上非常相似，分子量分别约为70和72 kDa。它们之间的一个关键结构差异在于其氨基酸序列的第523位。COX-1在该位置拥有异亮氨酸，而COX-2则含有缬氨酸。

这些酶的基因因子位于不同的染色体上：COX-1位于9号染色体（9q32-q33.3），COX-2位于1号染色体（1q25.2-q25.3）。COX-2基因较小，有10个外显子，跨度为8.3千碱基（kb），而COX-1基因有11个外显子，跨度为22kb。另一个显著的区别是COX-2基因含有一个TATA盒，这是一个有助于启动转录的DNA序列，而COX-1基因则没有。基因转录本也不同：COX-2产生4.5kb的mRNA，而COX-1产生较短的2.8kb mRNA。表1突出了COX-1和COX-2之间的关键差异，包括它们的基因、在体内的产生方式和位置、它们被发现的组织及其功能作用。

尽管它们的mRNA长度不同，但酶并不完全相同；它们的氨基酸序列非常相似，即大约60-80%相同。COX-1含有大约576个氨基酸，而COX-2大约有604个氨基酸。它们之间最显著的差异出现在其结构的N末端和C末端。COX-1在N末端有一个独特的17个氨基酸片段，而COX-2在C末端有一个18个氨基酸序列。尽管它们有相似之处，但它们活性位点中的氨基酸也不同。COX-2在第534位含有缬氨酸，而不是COX-1中的异亮氨酸，这为底物结合创造了一个更大的“侧袋”。这使COX-2具有一个更宽、更灵活的活性位点，其抑制剂结合区域比COX-1大约17%至25%。

COX等酶分布在细胞各处，主要在内质网和核膜中，这通过组织荧光标记和共聚焦荧光显微镜得到证实。COX-1主要位于内质网。另一方面，COX-2同时存在于核膜和内质网中，其在核膜中的含量几乎是内质网的两倍。报告表明，一个独特的C末端序列可能控制着这种选择性定位。COX酶与细胞中的几个膜系统相连，使得前列腺素类物质能够在响应各种刺激时在不同亚细胞位置合成。

2.3. COX酶的结合位点

COX酶是必不可少的蛋白质，其独特的结合口袋特性决定了它们的底物特异性及其在生理和炎症过程中的作用。它包含许多结构域，活性区域位于疏水环境中，允许添加脂肪酸底物。COX酶主要区别在于结合口袋的尺寸和灵活性，导致它们独特的底物特异性和拮抗作用。COX-1调节基本生理功能，而COX-2由炎症激活。抑制COX-2可以减少炎症，而不会对COX-1产生任何影响。这些酶共享相同的氨基酸残基，如Ser 530和Tyr 385，它们结合底物和拮抗剂。

COX酶的药效团包括配体结合和酶抑制所需的关键结构特征，例如疏水口袋、氢键供体和受体以及芳香环。这些特性对于开发选择性COX抑制剂，特别是那些靶向COX-2而避免COX-1的抑制剂至关重要。COX药效团的疏水区域是一个关键特征，它允许花生四烯酸进入，并作为亲脂性化合物的有吸引力的靶点。COX-2具有比COX-1更大的疏水口袋，允许塞来昔布等选择性拮抗剂以高亲和力结合。氢键，特别是那些在Ser 530和Tyr 385之间形成的氢键，有助于维持配体结合。选择性COX-2抑制剂还与Arg120形成独特的氢键，而COX-1中则没有，从而增加了选择性。此外，含有芳香环的配体参与与残基（包括COX-2中的Tyr355）的π-π堆积相互作用，从而增强了结合亲和力。

这两种酶都是帮助产生前列腺素的重要蛋白质，前列腺素是类似脂肪的化合物，有助于控制身体的疼痛、发烧和炎症。在酶的一侧，与膜结合位点相对的是过氧化物酶活性位点。这个区域容纳血红素基团，它位于一个狭窄凹槽的底部。这个凹槽主要对周围的水开放，除了少数形成疏水覆盖的油性（疏水）氨基酸。这种结构允许酶与其帮助分解的多种有机氢过氧化物物质相互作用。COX活性位点位于血红素的另一侧，与过氧化物酶位点相对。这个位点位于一个L形通路的末端，该通路起始于酶与膜连接的部分。这个通道的入口，称为“前厅”，很宽但在某一点变窄。这个狭窄点必须打开以让分子进入，例如底物花生四烯酸或抑制剂。经过这个狭窄部分，通道被疏水氨基酸包围，并以几乎直角弯曲，结束于一个狭窄的空间。

当AA在这个网络中结合时，AA的羧基适合狭窄部分，而另一端（ω-甲基）到达网络的尖端。AA的碳-13的这个位置靠近氨基酸酪氨酸-385（Tyr-385），这对化学反应至关重要。在COX能够开始环加氧酶反应之前，它必须被激活。这种激活取决于酶的过氧化物酶活性。当过氧化物酶位点还原过氧化物分子时，它将血红素转化为可以参与反应的活性形式。血红素基团对于酶的过氧化物酶活性至关重要，作为氧化还原辅因子。它促进电子转移并激活氢过氧化物底物。血红素中铁的这种氧化还原活性对于通过产生酪氨酰自由基来启动环加氧酶反应也至关重要，酪氨酰自由基是将花生四烯酸转化为前列腺素G₂（PGG₂）以及随后转化为前列腺素H_sub>2（PGH₂）所必需的。没有这个血红素基团，COX酶就没有催化活性。

COX酶激活后反应的后续步骤类似于非酶脂质过氧化中的步骤。但是，在COX酶的情况下，它们更具体地指导该过程并控制反应如何展开。此过程还会在Tyr-385产生一个特定的自由基。酪氨酰自由基（在血红素基团的帮助下产生）从花生四烯酸中提取一个氢原子。这启动了自由基环化并插入两个氧分子，在碳-15形成氢过氧化物（-OOH）。这个自由基处于正确的位置，可以从AA的碳-13上移除氢，启动整个环加氧酶反应。结果是PGG₂，它具有环状内过氧化物和氢过氧化物基团。此外，C-15处的氢过氧化物（OOH）被还原为羟基（OH）。还原当量来自过氧化物酶辅因子，例如谷胱甘肽或酚类供体。

分析还表明，两者中较大的COX-1具有20个氢键受体（HBA）、15个氢键供体（HBD）和1166.34 ?³的重要体积。这些特性表明其分子结构更复杂、更致密，具有许多有助于其生理作用的相互作用位点。另一方面，COX-2的结构更小、更简单。它仅包含10个氢键受体、8个氢键供体和388.61 ?³的紧凑体积。这种复杂性的降低导致了一个更明确和可及的结合口袋，显著影响其与配体的相互作用。空腔的较小体积表明，与COX-1相关，COX-2具有更强的非极性和疏水性，并且偏爱较小的分子。这些特性使得COX-2特别有利于与新设计的选择性配体结合。

Arg120存在于COX-2中，尽管具有非极性表面，但它在催化中起着关键作用，并负责在结合口袋中与脂肪酸（花生四烯酸）形成盐桥，催化前列腺素合成。