综述：大中性氨基酸转运蛋白1（LAT1）底物类似物和抑制剂的研发进展，用于药物和放射性药物的输送

《European Journal of Medicinal Chemistry》：Advances in the development of large neutral amino acid transporter 1 (LAT1) substrate analogues and inhibitors for the delivery of drugs and radiopharmaceuticals

氨基酸转运蛋白1（LAT1）在肿瘤发生中通过促进中性氨基酸摄取起关键作用，靶向LAT1的抑制剂和放射药物在肿瘤治疗和成像中展现潜力。研究分析了LAT1的结构特征、转运机制及与4F2hc的相互作用，指出其通过Na+/pH-independent机制介导氨基酸转运，并受胆固醇调节。LAT1在脑血脑屏障和多种肿瘤中高表达，其抑制剂可阻断肿瘤细胞能量代谢，如通过抑制mTORC1通路。此外，基于苯丙氨酸的 LAT1抑制剂和放射配体的开发是研究热点。

　　LAT1，即大型中性氨基酸转运体1，是一种重要的跨膜蛋白，其功能在多种癌症的发生过程中发挥着关键作用。这种转运体主要负责运输大型中性氨基酸，这些氨基酸对于肿瘤细胞的生长和增殖至关重要。因此，针对LAT1功能的药理学干预成为癌症治疗中的一个有前景的策略。近年来，科学家们在开发针对LAT1的小分子抑制剂和放射性药物方面取得了显著进展，这些药物不仅用于肿瘤的靶向治疗，还用于成像技术。本综述旨在详细探讨LAT1相关化合物的结构特征和生物学功能，包括天然和合成的氨基酸衍生物，以及它们在肿瘤治疗和诊断中的应用。

肿瘤组织相较于正常组织，对氨基酸供应的依赖性更高。这种高度依赖性源于肿瘤细胞快速增殖和代谢活动的需求。LAT1作为中性氨基酸转运的重要蛋白，其表达水平在肿瘤组织中显著升高。这种现象不仅在肿瘤细胞中被观察到，还涉及到其在血脑屏障（BBB）中的作用。血脑屏障是由紧密连接的脑毛细血管内皮细胞、星形胶质细胞等组成的结构，它对分子的运输具有选择性。因此，许多治疗药物无法有效穿越血脑屏障，从而限制了其治疗效果。然而，LAT1在血脑屏障中的存在使得它能够促进必需氨基酸进入中枢神经系统，为脑靶向药物输送提供了新的可能性。此外，LAT1在血脑屏障中的表现显示出更高的底物亲和力，这一特性使其成为开发脑靶向药物输送策略的重要基础。

LAT1的结构特征与其功能密切相关。该转运体由两个亚基组成，分别是4F2hc和LAT1自身。4F2hc，也被称为CD98，是一种N-糖基化的蛋白，其基因位于SLC3A2上。LAT1则由SLC7A5基因编码，位于染色体16上。在结构上，LAT1包含512个氨基酸残基，并具有12个跨膜结构域，分为内层和外层。这些跨膜结构域的排列使得LAT1能够识别并运输特定的氨基酸。相比之下，4F2hc仅具有一个跨膜结构域，其N端和C端分别位于细胞内和细胞外。LAT1与4F2hc之间的相互作用对于其功能至关重要，这种相互作用通过细胞外环2形成，该环位于轻链亚基TM3和TM4之间，并远离重链亚基。

LAT1的运输机制不依赖于钠离子和pH值，而是通过一种必需的反向转运机制，其严格遵循1:1的化学计量比。这种机制确保了LAT1能够有效地将细胞内的谷氨酰胺与必需氨基酸进行交换。此外，LAT1表现出对立体异构体的选择性，通常更倾向于运输L-氨基酸而非D-氨基酸。然而，这种选择性并非绝对，因为LAT1也显示出对某些D-氨基酸的亲和力。值得注意的是，LAT1不仅参与氨基酸的运输，还能够促进甲状腺激素和某些药物的跨膜运输，这进一步扩展了其在生物体内的功能。

在研究LAT1的结构时，科学家们利用了同源建模的方法，参考了来自甲烷热泉菌（Methanocaldococcus jannaschii）的ApcT蛋白（PDB ID: 3GIA）和来自大肠杆菌的精氨酸/精氨酰胺反向转运蛋白AdiC（PDB ID: 3L1L）的结构。这些结构的研究揭示了LAT1与AdiC之间的相似性，但同时也显示出其独特的结构特征。例如，LAT1的结合口袋比AdiC更大，这可能是由于一些较大的AdiC残基在LAT1中被较小的残基所取代，从而使得LAT1主要运输大型中性疏水性氨基酸。此外，LAT1的结构中存在非极性区域，这有助于其与底物之间的结合。

LAT1的运输过程涉及一个两步的构象循环：从外向开放状态转变为外向闭合状态，随后从外向闭合状态转变为内向开放状态。这一构象变化对于LAT1的运输功能至关重要。研究表明，LAT1的外向闭合状态相较于外向开放状态具有更高的底物亲和力。这一特性可以通过Glide Score这一预测底物与靶标结合亲和力的指标来衡量。值得注意的是，某些抑制剂如JPH203表现出对LAT1外向闭合状态的更高亲和力，这可能与其结构特性有关。

在结构分析方面，冷冻电镜技术的应用为理解LAT1的运输机制提供了新的视角。例如，研究发现，某些抑制剂如JX-075、JX-078、JX-119和二碘酪氨酸在LAT1的外向闭合状态下结合，而LAT1在内向和外向构象之间的转换则与TM10的旋转有关。具体来说，JX-078的结构通过与TM1和TM6中的残基形成氢键，其疏水部分占据了结合位点与TM10之间的空间，从而阻止TM10的旋转并稳定外向闭合状态。然而，二碘酪氨酸的结合构象与JX不同，这可能与其碘取代基的体积有关，使得其结合状态可能处于外向闭合和开放状态之间。

LAT1的表达不仅限于肿瘤组织，还在其他需要大量氨基酸的细胞中被观察到，如脑微血管内皮细胞和胎盘的初级滋养层细胞。这种高表达水平可能与这些细胞的代谢需求有关。此外，LAT1在血脑屏障中的表达使其成为促进必需氨基酸进入中枢神经系统的重要通道。值得注意的是，LAT1在血脑屏障中的底物亲和力显著高于其在周围组织中的表现，这一特性使得它在脑靶向药物输送中具有重要的应用价值。此外，LAT1在脑内的运输功能不受炎症的影响，表现出良好的稳定性，这进一步增强了其作为药物输送载体的潜力。

在肿瘤治疗中，LAT1的高表达水平与多种癌症的发生密切相关。例如，乳腺癌、前列腺癌、肺癌、膀胱癌、脑肿瘤、胃肠道癌和胰腺癌等肿瘤类型均显示出LAT1的显著上调。这种上调可能与肿瘤细胞对氨基酸的高需求有关。通过抑制LAT1的mRNA表达或使用锌指核酸酶介导的基因敲除技术，可以显著减少肿瘤细胞的生长。此外，LAT1特异性探针的使用为验证其在肿瘤中的特异性提供了新的方法。研究发现，LAT1的高表达水平与不良预后密切相关，例如在Kawasaki等人的研究中，LAT1阳性在头颈鳞状细胞癌（HNSCC）中被证实是无病生存和总体生存的独立预后因素。值得注意的是，LAT1阳性HNSCC细胞显示出更强的球形形成和侵袭能力，且78.0%的患者处于晚期阶段。

除了作为氨基酸转运体的功能，LAT1还在癌症代谢重编程中发挥作用，通过促进支链氨基酸的摄取，这些氨基酸作为脂肪酸合成和能量生产的前体，支持肿瘤的生长和存活。此外，LAT1还参与氨基酸诱导的mTORC1通路激活。例如，LAT1可以促进亮氨酸进入溶酶体，从而通过溶酶体型ATP酶（V-ATPase）触发mTORC1的激活。一旦激活，mTOR会磷酸化翻译调控因子如p70S6K和eIF4E-BP1，从而影响细胞的生长和代谢。mTOR包括mTORC1和mTORC2两种复合体，它们通过整合来自能量状态、生长因子和氨基酸的信号，调节细胞的生长、代谢、存活和应激反应。在肿瘤中，这一通路的失调是常见的现象。

在肿瘤微环境中，缺氧诱导因子HIF2α的上调可能与LAT1的表达增加有关，这表明缺氧可能与肿瘤的发生存在潜在联系。LAT1的表达与缺氧标记物VEGF显著相关，进一步支持缺氧可能是LAT1上调的一个原因。此外，LAT1可能与肿瘤细胞的血管生成有关，VEGF-A和FGF2能够诱导血管内皮细胞中LAT1的表达。值得注意的是，LAT1的敲低能够显著抑制内皮细胞的迁移、侵袭和管形成，这可能与其在血管生成中的作用有关。

LAT1作为重要的氨基酸转运体，在多种肿瘤中发挥着关键作用。其配体可以分为两大类：底物类似物和抑制剂。底物类似物能够被LAT1运输进入细胞，并在转刺激实验中诱导内源性底物（如亮氨酸）的外排。设计药物作为底物类似物有助于其在肿瘤组织中的积累，从而实现成像和治疗效果。抑制剂则不能被LAT1运输，但能够完全阻断其运输功能，从而剥夺肿瘤细胞所需的必需氨基酸，抑制肿瘤的生长。值得注意的是，某些化合物虽然能够诱导少量亮氨酸的外排，但其整体行为更接近于抑制剂而非典型的底物。在本综述中，我们将讨论LAT1底物类似物和抑制剂的类型及其在肿瘤治疗中的应用。

综上所述，LAT1的高表达水平在肿瘤组织中被广泛观察到，这一现象表明LAT1的过表达是癌症的一个显著标志。作为蛋白质转运体，LAT1在多种癌症细胞的增殖和侵袭过程中发挥着重要作用，因此成为有效的治疗靶点。针对LAT1功能的抑制剂有望成为多种肿瘤治疗的药物。这些抑制剂不仅在肿瘤治疗中表现出良好的效果，还可能在脑靶向药物输送中发挥重要作用。随着对LAT1结构和功能的深入研究，未来有望开发出更有效的靶向治疗策略，为癌症治疗提供新的方向。