摘要

生长分化因子15(growth differentiation factor 15，GDF15)是一种内分泌激素，是转化生长因子β(transforming growth factor β，TGFβ)超家族成员，与胶质细胞源性神经营养因子(glial cell line derived neurotrophic factor，GDNF)家族受体α样(GDNF-family receptor α-like，GFRAL)-转染重排(rearranged during transfection，RET)异源二聚体受体结合而发挥作用。GDF15作为肥胖、糖尿病、肿瘤、非酒精性脂肪性肝病、缺血性疾病等的生物标志物已成为新药研发的新靶点。目前，世界各制药企业均开展了以GDF15为全新治疗靶点的药物研究，涉及肥胖、肿瘤及厌食综合征等诸多领域，本文综合分析了GDF15靶点的优缺点，探讨并客观评价了基于GDF15的新药研发，将为相关创新药物发现提供科学依据。

正文

药物发现经历了从旧模式到新模式的成功转变。19世纪以前, 药物发现源于自然界, 从植物中分离得到吗啡、奎宁等; 20世纪初, 开始人工合成药物, 如阿司匹林、巴比妥等; 近年来, 结构生物学、组合化学、高通量筛选等新技术的出现使得基于靶点的药物发现逐渐成为新药研发的主流。2017年, Santos等[1]对美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA) 批准的1 578种药物进行分析发现, 在其作用的893个人或病原体衍生的生物分子中, 包括了667种人类基因组蛋白。然而, 罕见病、难治性疾病、药物频发不良反应等研发困难尚未解决, 发现和确证新靶点, 在此基础上进行基于靶点的药物分子设计, 筛选与评价先导化合物并进行创新药物研发的任务仍然十分艰巨。

生长分化因子15 (growth differentiation factor 15, GDF15) 是1997年发现的一种内分泌激素[2], 其受体是胶质细胞源性神经营养因子(glial cell line derived neurotrophic factor, GDNF) 家族受体α样(GDNF-family receptor α-like, GFRAL) 蛋白[3-5]。GFRAL仅在后脑中表达, 该受体活化可导致食物摄入减少和体重减轻, 因此GDF15被称为“厌食激素”。研究表明, GDF15在多种疾病如肿瘤、缺血性疾病、代谢紊乱以及神经退行性疾病的发病机制中发挥重要作用[6]。世界各大制药企业以GDF15为全新治疗靶点的药物发现已扩展至肥胖以外的诸多领域, 本文将在全面阐述GDF15靶点的优缺点基础上, 探讨并客观评价基于新靶点GDF15的新药研发现状。

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GDF15简介

GDF15又称巨噬细胞抑制性细胞因子1 (macrophage inhibitory cytokine-1, MIC-1), 由Bootcov等[2]在1997年从活化的巨噬细胞系克隆中鉴定并发现, 在巨噬细胞中作为自分泌调节分子起作用, 是转化生长因子β (transforming growth factor β, TGFβ) 超家族成员。GDF15也被称为非甾体类抗炎药激活基因1 (nonsteroidal anti-inflammatory drug-activated gene-1, NAG-1)、前列腺衍生因子(prostate derived factor, PDF)、胎盘骨形态发生蛋白(placental bone morphogenetic protein, PLAB)、胎盘转化生长因子-β (placental transforming growth factor beta, PTGFB)、非甾体类抗炎药相关基因-1 (nonsteroidal anti-inflammatory drug-regulated gene-1, NRG-1), 分子量约为34 kDa, 其蛋白晶体结构已被解析[7]。

GDF15主要参与器官生长、分化、发育及细胞修复。在生理条件下, GDF15在除胎盘以外的其他组织中表达均较低; 而在炎症或外伤应激等病理情况下, 如存在多种刺激因素[TGFβ、白细胞介素-1β (interleukin 1β, IL-1β)、肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-α, TNF-α) 等] 时, GDF15表达上调。给予重组MIC-1 (即GDF15) 蛋白可抑制脂多糖诱导的TNF-α产生, 提示其可抑制巨噬细胞的活化[2]。IL-1β或衣霉素刺激的内质网应激可诱导肝细胞中GDF15的表达, 而非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)中肝脏GDF15的表达与IL-1β含量和脂肪变性严重程度直接相关[8-10]。因此, GDF15可作为一种炎症标志物或应激反应蛋白。大量研究表明[11-14], GDF15水平升高与心血管疾病如心肌肥大、心力衰竭、动脉粥样硬化、内皮功能障碍, 以及肥胖症、糖尿病、癌症、恶液质等有关, 已被证实是上述疾病诊断、进展或预后的新型生物标志物, GDF15的发现为基于靶点的新药研发奠定了基础。

02

GDF15受体的发现

2017年发表的4篇文章均公布了GDF15受体的发现[3-5, 15], 来自丹麦诺和诺德、美国礼来、美国强生(杨森)、美国NGM四家制药公司的研究小组通过筛选2 700多种人类膜蛋白, 均在大脑中鉴定出了GDF15新型且高度特异性的受体GFRAL, 它是一种孤儿受体, 是具有短细胞质结构域的跨膜蛋白, 在中枢神经系统的黑质、海马和后部区域相对富集[16]。结合GFRAL的GDF15与跨膜酪氨酸激酶共受体RET形成异源二聚体复合物, 继而激活与GDNF信号传导一致的细胞内信号传导通路。

GDF15-GFRAL信号可控制食欲和体重。GFRAL受体复合物仅在后脑中表达, GDF15与之结合激活该受体后可导致食物摄入减少和体重减轻, Gfral基因敲除后, 重组GDF15将不再发挥厌食和代谢获益作用。此外, 高脂饮食引起的肥胖和胰岛素抵抗在Gfral基因敲除小鼠中更加严重, 提示该受体在代谢中具有稳态作用[5]。上述研究结果支持GDF15-GFRAL轴的慢性激活具有抗肥胖作用的概念; 同时, GDF15-GFRAL的拮抗作用可成为厌食-恶病质综合征的一种有效的治疗策略, GDF15/GFRAL/RET途径正逐渐成为药物研发中较为活跃的领域。

03

GDF15靶点在疾病中的应用

3.1 GDF15与肥胖

随着肥胖发生率的逐年攀升, 肥胖已成为全球性的公共卫生安全问题, 食物摄入与体重增加存在直接关联, 因此抑制食欲、减少食物摄入量已成为抗肥胖药物研发的重要方向, 而近年来FDA批准的此类药物相继发现可引发心脏瓣膜病、致癌或自杀倾向等严重不良反应[17]。GDF15的发现为抗肥胖治疗开启了新思路, 早在2007年就有研究表明[14], 晚期癌症患者的厌食症与TGFβ通路有关, 由MIC-1调节摄食中枢所介导, 给予全身性MIC-1的正常小鼠和过表达MIC-1的转基因小鼠表现出吞咽不足和体重减轻。继而, 2017年GDF15-GFRAL轴的发现全新诠释了GDF15抑制食物摄入的作用[3-5, 15]。令人关注的是, 作为抗糖尿病药物的明星分子, 二甲双胍的抗肥胖作用也被证实与GDF15有关, 它可提高血清GDF15水平, 通过限制脑干来减少食物摄入并降低体重, 且与降低血糖无关[18]。GDF15被证实是血糖异常服用二甲双胍患者的生物标志物, 其浓度反映了二甲双胍的剂量[19]。另外, 服用二甲双胍的2型糖尿病患者的血清GDF15升高也与体重减轻有关[20]。基于此, 基于大脑GDF15-GFRAL-RET受体信号转导复合物来研发治疗肥胖症及癌症引起恶病质的药物成为可能[21]。

除了抑制食物摄入的中枢作用以外, GDF15也通过促产热、减少脂肪生成等外周作用发挥抗肥胖作用。在寒冷暴露以及肾上腺素刺激时, 棕色脂肪和米色脂肪可释放GDF15, 靶向巨噬细胞, 介导局部炎症途径下调, 发挥产热效应, 由此认为GDF15可能是一种棕色脂肪细胞因子[22]。Chrysovergis等[23]则观察到转基因hNAG-1 (即hGDF15) 小鼠的代谢活性和能量消耗更高, 其通过上调棕色脂肪和白色脂肪中生热和脂解基因的表达, 抵御饮食和遗传诱发的肥胖症和胰岛素抵抗。在ob/ob小鼠中应用重组GDF15治疗, 可降低肥胖小鼠体重并改善胰岛素敏感性, 这归因于肝脏、肌肉和脂肪组织中氧化代谢的增强和脂质代谢的动员[24]。血清GDF15的增加与年轻超重和肥胖成年人的生活方式干预相关的代谢改善相关[12]。因此, GDF15兼具食欲抑制调节及增加外周能量消耗的双重作用, 在预防和治疗肥胖症中发挥重要作用。

3.2 GDF15与糖尿病

糖尿病是以高血糖为特征的代谢性疾病, 其大血管及微血管并发症严重影响患者的生活质量。研究表明, 给予NOD小鼠GDF15可使糖尿病的发病率降低53%, 提示GDF15可能是1型糖尿病的潜在治疗靶标[25]。Schernthaner-Reiter等[26]得出了相反结论, 发现肥胖个体短期禁食期间GDF15水平稳步下降, 而口服葡萄糖会抑制这种下降, 导致GDF15延迟回到基线水平, 由此认为, GDF15水平升高取决于快速消化碳水化合物后葡萄糖和胰岛素的快速升高, 与摄入热量无关[26]。另一项人群研究也表明[27], 空腹血糖异常和2型糖尿病患者的血清GDF15升高提示GDF15与胰岛素抵抗呈正相关, 而与年龄和体重指数无关, 因此, GDF15可能是检测非糖尿病患者空腹血糖异常的新型生物标志物。

GDF15也是糖尿病肾病的生物标志物。在链脲佐菌素诱导的1型和db/db 2型糖尿病模型中, 敲除Gdf15基因均会增加两种模型动物肾小管和肾间质的损伤, 而不影响肾小球功能。由此推测, GDF15有可能保护1型和2型糖尿病患者的肾间质和肾小管腔, 发挥糖尿病肾病的保护作用[28]。通过前瞻性随访研究和横断面研究GDF15与糖尿病肾病的关系, 证实较高的GDF15水平预示着肾小球滤过率的下降更快, 呈负相关, 且与更快的肾功能恶化有关[29, 30]。

据此, GDF15作为糖尿病或糖尿病并发症的生物标志物或药物靶点存在矛盾, 仍需更多证据支持。开发抗糖尿病或抗糖尿病并发症药物依然具有挑战, 适应症选择应十分慎重。

3.3 GDF15与癌症

3.3.1 GDF15是癌症诊断和预后的生物标志物

GDF15是癌症诊断、疾病进展与预后的生物标志物, 其在多种实体瘤癌症类型中水平升高, 是胰腺癌、肠癌、卵巢癌、前列腺癌、原发性肝癌和肺癌的诊断生物标志物, 且与多种癌症的疾病进展、预后及总生存期之间均存在相关性, 包括结直肠癌、胃癌、肝细胞癌、非小细胞肺癌、尿路上皮/肾细胞癌、卵巢癌、乳腺癌等, 而与血液系统肿瘤无相关性[31-34]。

GDF15还可作为预测化疗药治疗效果和耐药反应的生物标志物。研究表明[35, 36], 对铂类一线化疗药(卡铂或顺铂) 耐药的上皮性卵巢癌患者血清中的GDF15明显高于化疗敏感性患者, 且高表达的GDF15患者具有较短的无进展生存期。在一项前瞻性、随机、III期口腔鳞状细胞癌的3种药物(多西他赛、顺铂和5-氟尿嘧啶) 诱导化疗中, GDF15表达可作为化疗获益和预后的潜在预测生物标志物, 它通过蛋白激酶B (protein kinase B, PKB) 和细胞外调节蛋白激酶1/2 (extracellular signal-regulated kinases 1/2, ERK1/2) 的磷酸化促进口腔鳞状细胞癌的发生和发展[37]。肿瘤细胞也可活化缺氧诱导因子1α (hypoxia-inducible factor 1α, HIF1α), 通过募集产生GDF15的肿瘤相关巨噬细胞, 促进胃癌的化疗耐药[38]。此外, GDF15水平在原发性肝癌的诊断及化疗效果评价中也发挥着重要作用[32]。

3.3.2 GDF-15作为免疫检查点, 是癌症免疫疗法的新靶标

肿瘤细胞逃避免疫监视是癌症的标志。基于前述GDF15可作为炎症标志物, 可预期GDF15会影响肿瘤的免疫力。神经胶质瘤衍生的GDF15耗竭会增强小鼠神经胶质瘤细胞对同源自然杀伤细胞和脾细胞的敏感性, 导致致瘤性降低和T细胞浸润增加, 改善免疫反应并延长生存期。因此, 内源性GDF15有助于恶性神经胶质瘤的增殖和免疫逃逸[39]。树突状细胞(dendritic cells, DC) 在抗原特异性免疫反应的起始阶段起着关键作用。研究表明, GDF15是DC成熟和发挥功能的有效抑制剂, 可能通过抑制DC成熟过程中表面突起的形成, 促进TGFβ1分泌, 抑制T细胞刺激和细胞毒性T淋巴细胞活化, 从而抑制肿瘤特异性的免疫反应, 促进肿瘤细胞的免疫逃逸[40]。最新研究也证实, GDF15靶向DC中的CD44, 通过与其相互作用来抑制其功能, 促进卵巢癌的免疫逃逸[41]。

总之, GDF15作为癌症诊断、预后以及化疗耐药的较明确生物标志物, 同时作为免疫检查点, 是癌症免疫疗法的新靶标, 为抗肿瘤药物研发提供了新思路。

3.4 GDF15与厌食综合征

GDF15可引起厌食的作用为抗肥胖和厌食综合征的治疗开启了新方向, 尤其是癌症患者的厌食以及由此导致的恶液质[14]。研究证实[42, 43], 内源性GDF15升高与能量平衡紊乱、癌症进展、化疗诱发的厌食症和晨吐有关, GDF15通过引起恶心和/或通过催吐神经回路, 以及厌恶性的内脏不适状态诱发厌食症和体重减轻。

美国辉瑞公司开发了GDF15抗体, 发现其可减轻铂类化学疗法引起的呕吐、厌食以及小鼠和非人灵长类动物的体重减轻[44]。美国NGM公司的进一步研究则证实, GDF15抗体介导的GDF15-GFRAL活性抑制可逆转荷瘤小鼠的癌症恶液质[45], 提示GDF15抗体可阻断铂类药物化疗的不良反应, 减轻癌症恶液质, 将为癌症患者解除痛苦, 提高生活质量和生存希望。

3.5 GDF15与非酒精性脂肪性肝病

非酒精性脂肪性肝病/非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis, NASH) 是一种慢性代谢性疾病, 患病率和发病率不断升高, 且呈年轻化趋势。Kim等[8, 9]发现肝脏多余的脂质蓄积以及内质网应激可能会加剧小鼠肝脏中GDF15的表达, 在NASH动物模型的肝脏和患有NASH的人类受试者中, GDF15表达增加[8]。肝脏Gdf15基因敲除小鼠的NASH表型加剧, 如脂肪变加重、炎症、纤维化、肝损伤和代谢恶化[8]。而Gdf15转基因小鼠或肝GDF15异位表达则增强高脂饲料喂养小鼠肝脏的脂肪酸β-氧化作用, 减少肝脏脂质蓄积从而减缓NAFLD和NASH的进展和代谢恶化[8, 9]。

GDF15可作为NAFLD中晚期纤维化的新型生物标志物, 在NAFLD患者中, GDF15水平最高的四分位数与晚期纤维化的风险显著相关[46]。GDF15处理的LX-2细胞中, 可通过Smad2和Smad3磷酸化导致α-平滑肌肌动蛋白和胶原蛋白I的表达增强[46]。另一方面, 代谢炎症和体重减轻的改善降低了肝GDF15的表达, 因此肝GDF15可能起到控制NAFLD能量平衡的负反馈作用[10]。可见, GDF15在NAFLD以及NASH的作用仍不确定, 寻找GDF15激动剂或拮抗剂作为治疗药物还有待更多实验证据支持。

3.6 GDF15与心血管疾病

GDF15参与多种心血管疾病的发生, 其水平升高与心肌肥大、心力衰竭、动脉粥样硬化、内皮功能障碍等相关[11]。当心肌缺血再灌注损伤时, 心肌细胞、巨噬细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞和脂肪细胞的应激可诱导GDF15表达增加[47]。在一项对急性心衰患者随访2年的研究中发现, GDF15升高与急性心衰的预后较差有关, 而与脑钠素无关。当患者出院时的生物标志物GDF15和脑钠素均升高时, 其两年内的死亡风险增加4倍[48]。

内皮功能障碍是心血管疾病发展的第一步, GDF15在内皮功能障碍期间和心血管疾病中均增加。然而, Ha等[49]的研究表明, 衰老的内皮细胞集落形成细胞产生的GDF15可能以旁分泌方式作用于非衰老细胞, 通过限制血管应激相关的内皮功能障碍, 在血管功能失调中发挥有益作用。

因此, 就目前研究结果, GDF15被认为是一种新的心源性细胞因子, 然而其在心血管病中的作用以及其作为治疗心血管疾病治疗药物研发靶点仍需更多实验数据加以佐证。

3.7 GDF15与其他疾病

研究表明[50], GDF15是线粒体疾病的生物标志物, 在各种线粒体疾病的亚型中, GDF15浓度较对照组升高近10倍, 且与线粒体疾病的严重程度有关。GDF15是线粒体呼吸链缺乏症患者最有用的一线检测指标[50]。Montero等[51]首次证明骨骼肌细胞响应线粒体功能障碍而产生GDF15, 并且其水平在体外与成纤维细胞生长因子-21水平相关, 因此GDF15是诊断儿童线粒体疾病的有价值的血清定量生物标志物。

此外, GDF15是与先天性心脏病相关的小儿肺动脉高压的潜在生物标志物[52]。而对于患有胸苷激酶缺乏症的患者, GDF15则是评估疾病严重程度和治疗反应的潜在生物标志物[53]。GDF15与更多疾病的相关性仍有待研究, 这将为GDF15相关药物研发提供依据。

04

基于GDF15靶点的新药研发现状

作者通过检索(https://ClinicalTrials.gov/和Google搜索), 试图全面获取以GDF15为治疗靶点的相关药物研发的最新信息。目前共有8家公司进行研发, 包括丹麦诺和诺德、美国安进、美国礼来、美国强生、美国辉瑞、德国CataLym、美国NGM以及美国AVEO公司, 所选适应症涉及肥胖、糖尿病、肿瘤以及厌食症等不同治疗领域, 分别处于临床前或I期临床试验等不同阶段。

4.1 抗肥胖药物

美国安进公司研发的GDF15类似物融合蛋白AMG-171, 临床前研究表明, 给予GDF15 Fc融合蛋白(AMG-171) 治疗后, 小鼠、大鼠和肥胖食蟹猴的食物摄入减少并伴体重减轻, 胃排空延迟, 食物偏爱发生改变, 改善了其代谢状况[7]。美国强生公司研发的GFRAL激动剂JNJ-9090, 其作用机制旨在通过促进产热、脂解作用以及氧化代谢发挥抗肥胖作用。丹麦诺和诺德公司开发的NN-9215 (LA-GDF15) 为长效GDF15类似物。上述三家公司所选适应症均为肥胖症, 希望通过抑制食欲达到减重目的, 目前正在进行I期临床试验, 处于招募受试者的阶段。

4.2 抗糖尿病药物

美国礼来公司研发的GDF15激动剂(尚无代号披露), 其适应症为糖尿病。美国强生公司研发的GFRAL激动剂JNJ-9090除了抗肥胖以外, 也针对糖尿病开展临床研究, 目前均处于I期临床试验阶段。

4.3 抗肿瘤药物

由美国NGM公司研发的NGM-120为GFRAL蛋白的一种单克隆抗体拮抗剂, NGM-120与GFRAL结合, 抑制GDF15的信号传导。所选适应症为转移性胰腺癌和实体瘤(联合治疗、无法手术/无法切除、转移性疾病、复发、二线治疗或更高治疗), 目前处于I期临床试验阶段。

德国CataLYm公司研发的CTL-002为靶向GDF15人源化、铰链稳定的IgG4单克隆抗体。它可增强免疫细胞有效进入寒冷肿瘤微环境的能力, 用于中和肿瘤产生的GDF15, 将“冷”肿瘤变成“热”肿瘤, CTL-002有望减轻GDF15对免疫刺激性LFA-1/ICAM-1相互作用的抑制, 增强免疫细胞向肿瘤的浸润, 改善树突状细胞对T细胞的启动作用, 并改善T细胞和自然杀伤细胞对肿瘤的杀伤作用, 从而克服肿瘤的逃避免疫。CTL-002的适应症为治疗实体瘤, 目前处于I期临床试验阶段。

4.4 厌食症和恶液质

美国辉瑞公司开发的PF-06946860以及美国AVEO公司研发的AV-380均为GDF15单克隆抗体, 主要针对厌食症开展临床研究, 旨在通过药物干预达到改善肿瘤患者化疗过程中的厌食反应, 最终改善恶液质状态。美国NGM公司的NGM-120除抗肿瘤外, 也针对肿瘤厌食恶液质综合征(cancer-related anorexia and cachexia syndrome, CACS) 开展了临床研究。

05

总结与展望

作为一种内分泌激素, GDF15与其受体GFRAL的发现为基于靶点的新药研发奠定了基础, 开启了疾病精准治疗的新思路和新方向。GDF15是一种多效蛋白, 在多种复杂疾病中发挥重要作用, 已成为疾病诊断、进展或预后的新型生物标志物和全新治疗靶标。对于其确切的厌食及免疫检查点作用: 利用其激活作用开发了抗肥胖药物, 如GDF15类似物、GFRAL受体激动剂等; 利用其拮抗作用开发了厌食综合征以及抗肿瘤药物, 如GDF15单克隆抗体、GFRAL拮抗剂单克隆抗体等。然而, GDF15在心血管疾病、糖尿病、代谢性肝病等疾病中的作用仍存在不明确和矛盾的研究结果, 因此尚需更多证据支持。未来, 根据GDF15免疫检查点的表达与呈现情况, 个性化地制定治疗方案, 以及Gdf15基因多态性等方面的深入研究将可能突破新药研发的创制瓶颈, 实现疾病的精准治疗。

鉴于GDF15的双相效应, 应客观分析GDF15的药理作用, 在多种效应器官发挥作用的同时, 可能存在潜在的不可预期的不良反应。开发激活或拮抗作用的GDF15相关药物依然具有挑战, 在进行临床前研究以及临床试验过程中, 观察药物临床疗效的同时, 应重点关注其所引发的不良反应, 如抗肥胖药物还应关注引发肿瘤、纤维化、心血管疾病等其他效应的可能性, 这将为阐明GDF15作为新靶点进行新药研发提供帮助。

作者贡献: 强昊负责搜集文献与文章撰写; 孙明霞、王洪建、朱婷婷参与文章修改与参考文献整理; 吉腾飞负责综述的框架设计和文章修改。

利益冲突: 所有作者均声明不存在利益冲突。

作者：强昊, 孙明霞, 王洪建, 朱婷婷, 吉腾飞

机构：中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所, 天然药物活性物质与功能国家重点实验室, 北京 100050

来源：药学学报, 2021, 56(10): 2728-2734.

声明：本文为作者观点，不代表药精通Bio观点和立场，不构成任何投资和决策建议。本文旨在介绍医药健康研究进展，不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。欢迎投稿，投稿邮箱：marketing@all-shun.com

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史

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