Science重磅：非激素！新靶点，男性避孕药突破点
Science重磅：非激素！新靶点，男性避孕药突破点
男性避孕药的研发一直是医学领域的热点话题。近日，美国贝勒医学院Martin M. Matzuk团队在Science期刊上发表了一项重要研究成果，他们发现了一种新的男性避孕药靶点STK33，并开发出了一种有效的抑制剂CDD-2807。这一突破性进展为男性避孕药的研发开辟了新的方向。
近几十年来，在避孕方面取得的突破有限。尽管明显需要更实惠、长效、可逆和安全的避孕药具，但目前还没有有效的男性口服避孕药；激素类似物（孕激素雄性激素）或混合物的男性临床试验正在进行中，一些试验在1期和2期研究中显示出有希望的结果。尽管已经创建了800多个富含睾丸的基因敲除，其中约250个揭示了男性生育表型，但迄今为止，很少开发出经过验证的靶点的小分子（非完整）抑制剂，在临床前模型中显示避孕效果的甚至更少。
图1.人类基因组中激酶分布情况
人类基因组中有538种激酶；然而，这些激酶中只有约15%具有美国食品药品监督管理局（FDA）批准的抑制剂或候选药物。大多数经批准的激酶抑制剂已被开发用于治疗癌症。然而，鉴于激酶在人类生物学中的关键作用，它们是延伸到癌症治疗之外的有吸引力的靶点。基于高通量筛选的传统药物发现模式成本高昂且效率低下，这削弱了激酶抑制剂增强人类健康的开发。因此，靶向激酶提供了大量的治疗机会。
最新靶标
具有纯合丝氨酸/苏氨酸激酶33（STK33）突变的男性或小鼠由于精子形态和运动能力缺陷而不育。为了用STK33特异性抑制剂对STK33进行男性避孕的化学评估，美国贝勒医学院Martin M. Matzuk等人筛选了数十亿化合物的DNA编码化学文库，发现了有效的STK33特异性抑制剂，确定了与截短的CDD-2211结合的STK3激酶结构域结构，并产生了优化的候选者CDD-2807，其显示了纳摩尔细胞效力（一半最大抑制浓度=9.2纳摩尔）和良好的代谢稳定性。
在小鼠中，CDD-2807没有表现出毒性，有效地穿过血-睾丸屏障，不会在大脑中积聚，并诱导了可逆的避孕作用，即在不改变睾丸大小的情况下表型复制遗传STK33扰动。因此，STK33是一种经过化学验证的非避孕靶点，CDD-2807是一种有效的工具化合物。相关工作以“Reversible male contraception by targeted inhibition of serine/threonine kinase 33”为题发表在Science。
文章要点
在众多激酶中，160种激酶的子集将受益于有效的小分子开发，因为它们很少被理解或研究，因此被称为“暗激酶”。其中一种暗激酶是STK33，它在哺乳动物、鸟类、爬行动物、鱼类和脊索动物以及睾丸中进化保守，并通过精子的转化在粗线期精母细胞中表达。STK33在雄性生殖细胞中是精子分化所必需的，STK33敲除的雄性小鼠是继发于畸形精子症和精子不育的不育小鼠。家族中的男性被发现在STK33基因中存在移码突变，导致不育，该突变对STK33敲除小鼠进行了表型复制。具有这些STK33突变的小鼠和男性基本正常，睾丸大小没有明显变化。因此，STK33被认为是一个可行的靶点，可最小化对男性避孕的副作用（图1）。
图2.STK33的生物学特征
在这些发现的基础上，作者基于DNA编码文库（DEL）技术开发了DNA编码化学技术（DEC-Tec），并以此进行了大规模的药物筛选，以鉴定STK33的化学抑制剂，获得了STK33与一些化合物的晶体结构，并利用这些信息为构效关系研究提供信息。DEL是用DNA标签编码的化合物的混合物。将非常高浓度的生物靶标与非常低浓度的DEL化合物相结合，推动靶化合物复合物的平衡，从而可以在一个小瓶中评估数十亿种化合物。结合物通过DNA测序进行鉴定。这种高通量方法可以系统地探测广阔的化学空间，以探索广泛的靶点，包括研究与男性避孕相关的特征较差的激酶和非激酶靶点（图2）。
图2.DEC-Tec
通过使用DEL快速筛选数十亿个与STK33结合的化学实体，作者证明了这种方法的实用性，并能够发现具有治疗潜力的抑制剂支架。随后，作者将该支架精制成强效的、具有细胞活性的STK33抑制剂CDD-2807[其半最大抑制浓度（IC50）为9.2 nM]，其对STK33的选择性是其他激酶的9倍以上，并且代谢稳定。用低剂量CDD-2807治疗的雄性小鼠在21天后变得不育，但值得注意的是，在停止治疗后21天内小鼠恢复了生育能力，并且没有表现出毒性迹象（图3）。此外，作者还产生了与抑制剂结合的激酶的共晶体结构，这将促进未来抑制剂的发现和开发，以实现口服可用的类似物。
图3.CDD-2807治疗可产生可逆的避孕效果
结论与展望
该研究结果证实了STK33在男性生育能力中的重要作用，并提供了令人信服的证据，证明该靶点是可药用的，由此设计的抑制剂（CDD-2807；分子量447Da）很容易穿过血睾丸屏障导致不孕，并可实现可逆性男性不育。
此外，CDD-2807也是一种优秀的化学探针，可用于在体内进行额外的安全性和毒理学研究，包括在非人类灵长类动物中进行分析，并研究STK33信号在除男性避孕外的各种情况下的作用。这项工作表明，激酶可以作为治疗肿瘤适应症以外的人类疾病的有益靶点。