氟尿嘧啶及其衍生物的临床应用原理

氟尿嘧啶及其衍生物的应用原理
1. 氟尿嘧啶（5-FU）
5-FU是尿嘧啶的嘧啶环5-位碳原子上的氢被氟原子取代而得到的，合成的理论基础是发现鼠肝癌组织较正常组织更易利用放射性核素标记的尿嘧啶，说明尿嘧啶存在不同的酶代谢途径。

目前在临床上，5-FU主要用于消化道腺癌、乳癌、及头颈部鳞癌的治疗,对5-FU细胞内代谢过程的详细了解促进了与生化调节剂的联合使用，增强了5-FU的细胞毒性。

1.1 5-FU的激活与分解途径
5-FU在细胞内通过一系列的酶促反应作用于核苷酸的形成，其代谢活动可能以以下两条途径中的一条为主：
①5-FU(胸苷磷酸化酶TP) FdUrd(胸苷激
酶TK)→FdUMP→FdUDP→FdUTP（参与DNA合成）
②5-FU（乳清酸磷酸核糖转移酶OPRT） FUMP→FUDP→FUTP(参与RNA
合成) (尿苷磷酸化酶UP)
FUrD(尿苷激酶UK)
其中由OPRT酶催化的途径可能是正常组织代谢5-FU的主要途径（Oxo？），因为核苷酸的代谢产物别嘌呤醇对该途径的抑制作用降低了
5-FU对骨髓和胃肠道粘膜的毒性反应。

而且发现在一些种类的癌细胞中，代谢5-FU主要通过TP和UP的作用。

不过虽然某一类癌细胞中某一代谢途径占优势，但两条途径通常都会被利用。

5-FU的分解途径如下：
5-FU（二氢吡啶脱氢酶DPD） DHFU（二氢嘧啶酶） FUPA FBAL
（二氢氟尿嘧啶） (α氟脲基-丙酸) （氟-β丙氨酸）DPD催化5-FU还原成二氢氟尿嘧啶的反应是5-FU分解代谢的初始限速反应，5-乙炔基尿嘧啶是DPD的灭活剂，同时口服时5-FU的生物利用度接近100% DPD的活性影响 5- FU的抗肿瘤活性，但是，大剂量的DPD的缺失与5-FU用药后的严重毒性反应相关。

1.2 5-FU的作用机制
1.2.1 对胸苷酸合成酶（TS）的抑制作用
FdUMP与胸苷酸合成酶(TS)紧密结合阻止dTMP的合成，dTMP是生成dTTP的关键底物，而dTTP是DNA的合成和修复的必需物质。

功能性TS是由两个相同亚基组成的二聚体，每个亚基上有一个核酸结合位点和两个特殊的叶酸盐合成位点。

FdUMP与dUMP竞争结合TS 催化位点，在正常由dUMP甲基化生成dTMP的过程中，叶酸（5，10-CHFH4）上甲基基团转移到dUMP是伴随嘧啶第5个碳原子上氢原子丢失过程而发生，但这个丢失过程不可能发生在FdUMP上牢固连接的F原子上，并且 TS被局限在一个可逆性较慢的“三元复合体”中（TS、叶酸、FdUMP），TS的生理功能受阻，随后的“胸嘧啶缺乏状态”对分裂活跃的细胞产生毒性。

5-FU化疗方案加用LV的目的及原理：LV是四氢叶酸（FH4）的甲酰衍生物，在体内经VitB12的作用脱去甲基形成FH4。

叶酸是FdUMP抑制TS作用的辅助因子，其水平影响对机体5-FU的敏感性，并且叶酸的多谷氨酸结构可增强FdUMP与TS的结合力，并且有效的稳定复合物的三元结构使之不易分解，所以提高叶酸浓度可以增强5-FU对TS的抑制作用。

1.2.2 RNA和DNA介导的效应
RNA介导的有关5-FU的作用目前所知无一例外是5-FU取代正常生理情况下的物质融入各种类型RNA的结果：包括对前体和成熟rRNA、前体和成熟mRNA、tRNA及SnRNA产生的作用，最终引起RNA合成过程停滞、RNA二级结构改变、蛋白质合成数量和质量的改变等。

但RNA 介导的细胞毒性的根本所在是5-FU能RNA产生不可逆的结构改变，5-
FU的存在能抑制tRNA尿嘧啶5-甲基转移酶，在s-腺苷甲硫氨酸和该酶的存在下，5-FU促进tRNA形成一个稳定的共价化合物（5-FU-t RNA、s-腺苷甲硫氨酸的甲基、尿嘧啶5-甲基转移酶），该化合物可以干扰tRNA、mRNA等核苷酸部位转录后的修饰，从而形成假嘧啶核苷。

不过关于RNA介导的作用机制现有研究所知远远不足。

DNA介导的细胞毒作用主要为TS酶受抑制后产生的生化结果：dTMP和dTTP缺失导致DNA合成障碍及修复障碍，TS受阻后导致dUMP 聚集，并且发生向dUTP水平的代谢，dUPT融入DNA后会通过增加DNA 损伤的机会来增加细胞毒性。

FdUTP融入DNA产生细胞毒性是一种可能机制，在实验模型中，5-FU产生细胞毒性和5-FU-DNA的水平呈正相关。

1.2.3 RNA介导和DNA介导的反应的相对性
DNA和RNA介导的5-FU的细胞毒性受药物在体内特殊的代谢模式影响。

LV作调节剂应用大剂量5-FU的治疗使肿瘤缓解率得到提高、肿瘤组织中TS的高表达与肿瘤细胞对5-FU高敏感的关系及抗叶酸剂为基础的TS抑制剂的临床效果均证实TS是一个重要治疗靶点。

在实验模型中，RNA介导的效果占优势、持续的时间长，并且不是周期依赖性的，然而DNA介导的效果只是短时间作用于细胞的S期。

在不同的实验模型中观察到了相反结果：在人类结肠癌中，细胞对药物的不敏感表现不同，细胞要么对短时间高浓度5-FU耐药，要么对长时间低浓度5-FU耐药（de Gramont的原理？）。

对5-FU短时间暴露耐药的细胞亚系降低了5-FU-RNA的合成，而对长时间5-FU暴露耐药的细胞在结束药物暴露后能很快恢复，因此由RNA介导的细胞亚系耐药对长时间5-FU暴露依然有效。

在人类结肠癌的两个不同细胞亚系中，延长5-FU给药时间与提高药物浓度相关的细胞毒性说明DNA介导的效应和5-FU逐渐稳定的融入RNA都会导致5-FU的细胞毒性， 5-FU的作用机制因细胞系的不同而不同。

1.3影响机体对5-FU的反应因素
由于5-FU代谢复杂，多种因子参与机体对其抗代谢作用的应答，在5-FU的和成和分解代谢过程中，合成酶（TP、TK、UK、OPRT）活性的缺乏与丢失、降解代谢酶（DPD）活性的增加都可能会导致组织对5-FU 的耐药，反之则会增加组织对5-FU敏感性。

例如：OPRT酶（5-Fu→FUMP）的缺乏可能会导致5-FU的耐药。

但是细胞克隆的不同可仍对其他嘧啶衍生物敏感，所以对5-FU耐药不意味着对FdUrd不敏感。

除了酶
活性的重要性，代谢过程中其他反应底物的含量、竞争性UTP和dTTP生理池的大小都会影响5-FU的细胞毒性。

FdUMP对TS的抑制过程受多个因素影响，包括TS浓度、FdUMP合成数量及降解速度、有竞争能力的正常底物dUMP和辅助因子5，10-CHFH4（叶酸）的水平等。

TS基因的扩增及相应的酶含量的增加已经在对5-FU耐药的细胞系中发现，耐药的细胞可能有TS蛋白性质的改变，不是对FdUrd的结合力太低，就是和叶酸的结合力太低，三元复合物的稳定性降低与获得的对5-FU耐药相关在HCT8细胞中被描述。

在应用TS抑制剂时，TS蛋白的含量可通过一个称作“翻译自调节”的过程急剧增加，TS含量越高，抑制酶活性所需要的5-FU的浓度越高，这是可能的耐药机制。

足够的叶酸池可能稳定三元复合物，在临床前模型中外源性叶酸的应用可以提高5-FU和FdUrd的细胞毒性，并且在临床应用LV可以增加叶酸在癌细胞中的含量。

肿瘤细胞转运LV到细胞内，并将其转化为更有效果更稳定的多聚谷氨酸，而LV转化成为叶酸的能力受损就会影响5-FU的作用。

TS的封闭阻断使得细胞中dUMP池不断扩大，同时细胞内FdUMP消耗，dUMP与FdUMP竞争新和成或从三元复合物中解离出的TS，使DNA重新合成。

2、卡培他滨（xeloda）
卡培他滨是第一个口服5-FU前药，1998年美国上市，口服后以原型从胃肠道粘膜完整吸收，然后经过三种酶反应转化为5-FU(如图)。

其中，酯酶CES组要集中在人的肝脏和肝细胞癌中，在其他肿瘤组织和器官（包括肠道和血浆）中活性极低；而脱氨酶则分布广泛，尽管在肝脏中脱氨基作用更强，许多健康组织和肿瘤组织的组织匀浆均可使5’—DFCR脱氨基。

TP酶在所有健康组织中均有活性，正常在肝脏组织中最高，但在肿瘤组织中变化较大，但其活性均高于健康组织。

结直肠肿瘤组织中TP的活性4倍于正常组织，口服卡培他滨后，相对于正常组织，5-FU优先累积于原发的结直肠肿瘤，浓度3.2倍于正常组织。

（图示.卡培他滨在体内的激活过程）
24种人类肿瘤组织中的18种对卡培他滨敏感，其中的15种被认为具有高TP活性，但TP活性低的肿瘤也可表现出对卡培他滨敏感。

目前认为，TP与DPD活性比率低的肿瘤对卡培他滨耐药，相反此比率高的肿瘤敏感，因此，TP和DPD活性都低的肿瘤可能仍对卡培他滨敏感，而对TP和DPD都高的肿瘤可能无效。

对大量人类肿瘤样品用ELISA测量TP和DPD，证实在食管癌、肾癌、乳腺癌、结直肠癌和胃癌中，此比率较高（中位比率>1.5）。

3. S-1
S-1是包含呋喃氟尿嘧啶（替加氟）的三药制剂，CDHP（5-氯-2,4二羟基吡啶）是一个可逆的DPD抑制剂，通过抑制5-FU分解代谢的限速酶DPD的活性增加5-FU的血药浓度，Oxo(氧嗪酸)可有效抑制5-FU通过OPRT酶合成FUMP，选择性阻断5-FU融入RNA产生的细胞毒性，三者摩尔比是1:0.4:1。

目前应用于胃癌的术后辅助和晚期姑息治疗，
替加氟（1-（2-四氢呋喃基）-5氟尿嘧啶）是5-FU的前药，通过2条主要代谢途径缓慢代谢为5-FU：一条途径是通过微粒体细胞色素P450调节，形成不稳定的中间产物（5’-羟呋喃尿嘧啶），后者自然断裂产生5-FU。

另一条途径发生于细胞液，被脱氧胸苷磷酸化酶调节，两条途径都发生于细胞内，不通过全身循环再分布。