靶向拓扑异构酶IIβ ATP酶结构域的新型选择性抑制剂Topobexin实现蒽环类药物心脏保护作用

本研究针对蒽环类抗癌药物因非选择性抑制拓扑异构酶II（TOP2A/TOP2B）导致心脏毒性的临床难题，通过理性药物设计开发出靶向TOP2B ATP酶结构域变构口袋的Obex类抑制剂Topobexin。该分子通过锁定ATP酶构象实现TOP2B选择性抑制（SRTOP2B=25），在细胞和动物模型中显著降低蒽环类药物诱导的DNA损伤和心肌病变，为癌症治疗中平衡疗效与心脏安全性提供新策略。

　　

论文解读

在癌症治疗领域，蒽环类药物如阿霉素（Doxorubicin）已应用半个多世纪，但其致命弱点在于剂量限制性心脏毒性。这种毒性源于药物同时靶向两种拓扑异构酶II（TOP2）亚型：抗癌作用依赖TOP2A，而心脏毒性则由心肌细胞高表达的TOP2B介导。尽管铁螯合剂右雷佐生（Dexrazoxane）能部分缓解心脏毒性，但其非选择性抑制TOP2A可能影响抗癌疗效的争议始终存在。如何实现TOP2亚型特异性抑制，成为打破这一"抗癌-护心"平衡的关键科学难题。

捷克查理大学、梅奥诊所等机构的研究团队另辟蹊径，从天然产物Calophyllum Brasiliense中BNS-22分子的弱效抑制作用出发，通过结构生物学引导的理性设计，成功开发出靶向TOP2 ATP酶结构域全新变构口袋的Obex类抑制剂。这类分子名称源自拉丁语"障碍"，意指其通过阻碍ATP水解引发的构象变化实现催化抑制。研究最终获得的先导化合物Topobexin在《Nature Communications》发表的研究中展现出卓越的TOP2B选择性（选择性比SR_TOP2B达25倍）和心脏保护效果。

研究团队运用了多项关键技术：通过HEK293F细胞异源表达系统获得人源TOP2A/TOP2B全长蛋白；X射线晶体学解析抑制剂-ATP酶复合物结构（分辨率达1.8?）；基于荧光恢复实验（FRAP）的细胞内TOP2动态分析；以及经典的兔慢性心脏毒性模型（10周蒽环类药物干预）。这些方法为阐明Obex抑制剂的分子机制提供了多层次证据。

Obex抑制剂的设计与优化
研究人员首先发现天然产物衍生物BNS-22虽能抑制TOP2，但存在溶解度差、选择性低（SR_TOP2B=1.6）等缺陷。通过对四氢喹啉骨架的系统修饰，在7位引入羟乙基醚的5c化合物将选择性提升至3.8倍。晶体结构揭示其结合于距离ATP位点15?的新口袋，该位点位于GHKL ATP酶、转导结构域和真核特有β-发卡环的交界处。当ATP水解时，该口袋会被E395/T336残基占据，而Obex抑制剂通过"占位阻碍"机制阻止这一构象变化。

Topobexin的亚型选择性机制
在5c基础上引入4-甲基哌嗪基团得到的Topobexin（化合物9），其选择性飞跃至25倍。结构生物学研究发现：TOP2A中Tyr72与抑制剂形成氢键但引起分子扭曲（二面角14.3°），而TOP2B对应位点为Cys88允许自由旋转（二面角4.4°）。将TOP2B的C88突变验证了该残基对选择性的关键作用，这种"立体应变"机制为后续设计提供了精确模板。

细胞水平的心脏保护效应
在原代大鼠心肌细胞（NVCM）中，0.1μM Topobexin即可显著减少阿霉素诱导的γH2AX（DNA双链断裂标志）和 caspase-3/7活化。值得注意的是，该浓度下HL-60白血病细胞的抗癌效果未受影响，完美实现了"只护心、不护癌"的设计目标。FRAP实验显示1μM Topobexin选择性抑制TOP2B核内扩散（恢复率降低67%），而TOP2A需10μM才出现类似效果。

动物模型的转化医学价值
在10周阿霉素干预的兔慢性心脏毒性模型中，10mg/kg Topobexin预处理使左室收缩分数（LVFS）完全维持在正常水平（28.5±2.1% vs 盐水组30.1±1.8%），显著优于单纯阿霉素组的19.4±3.2%。分子检测显示心肌纤维化标志物（胶原Iα1、纤连蛋白1）和应激标志BNP的mRNA表达均恢复正常，组织学证实线粒体功能和细胞结构得到完整保护。

这项研究突破了传统TOP2抑制剂难以区分亚型的瓶颈，首次证实靶向ATP酶变构位点可实现选择性抑制。Topobexin作为临床转化潜力显著的候选药物，其独特机制为开发"抗癌不减效"的心脏保护剂开辟了新路径。对于长期生存率日益提高的癌症患者（尤其是儿童患者），这种精准干预策略可能改写蒽环类药物的安全使用史。未来研究可进一步探索Obex抑制剂在其它TOP2相关疾病中的应用，并优化其药代动力学特性以推进临床试验。