泌语新言56期丨Cell重磅!附KRAS基因及其G12Ci研究最新进展(文末彩蛋)

时间:2023-02-16

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美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Piro Lito等人在Cell上发表一篇观点文章,回顾了KRAS(G12C)选择性抑制剂瞩目的发展历程,探讨了它们的作用机制和临床前研究中的细胞效应,以及在改善临床患者预后方面取得的进展,并讨论了这些进展如何重塑了KRAS癌蛋白生物学基本特征。





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关于KRAS基因

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RAS癌基因家族成员之一----KRAS,其突变常见于肺癌(美国约57,000例/年)、胰腺癌(约54,000例/年)和结直肠癌(约36,000例/年)。发现KRAS突变40载以来,直接抑制KRAS癌蛋白一直是精准肿瘤学的长期追求。


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KRAS突变会导致编码蛋白中单个氨基酸发生替代,从而使其丧失水解GTP的能力而表现出癌蛋白的活性:G12(例如D/C/V/R/A/S)或G13(例如D/C/V)残基的替代保持GAP中关键精氨酸残基对水解过渡态的稳定性。传统意义上,KRAS癌蛋白是组成型活性的,但是最近部分研究结果表明一些KRAS癌蛋白在癌细胞中呈现出活性和非活性的循环并依赖于核苷酸交换(GTP/GDP)来激活,而后者对G12Ci治疗的敏感性具有重要意义。





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KRAS G12C特异性抑制剂---G12Ci

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G12Ci选择性靶向KRAS(G12C),同时能保留野生型或其他突变型KRAS,是该领域革命性成果。当KRAS(G12C)与GDP结合处于非活性状态时,G12Ci与突变半胱氨酸残基共价结合并占据Switch II 口袋结构域(SIIP),(图1A)。基于此结构进行优化后的ARS化合物(如ARS853、1_AM和ARS1620),具有不同的化学结构(图1B),相似之处在于都有一个与G12C结合的丙烯酰胺弹头,其中,sotorasib和MRTX849已在KRAS(G12C)突变肿瘤患者中显示出临床活性。

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图1. A G12Ci共价结合Switch II口袋结构域;B KRAS(G12C)抑制剂ARS化合物的化学结构。 





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选择性抑制如何抑制KRAS(G12C)活性?

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这个问题的关键在于KRAS(G12C)在癌细胞内处于活性和非活性状态之间波动。与KRAS(G12C) 的结合的药物可防止其通过核苷酸交换重新激活,并将致癌蛋白捕获在非活性状态(图2)。目前,仍需探索的问题是,KRAS(G12C)是如何经过充分的水解使非活性状态选择性药物起到抑制作用?有人认为,KRAS(G12C)在常见的KRAS突变体中之所以独特是因为其具有较高的内在水解率,而这是否满足药物在细胞内的动力学,仍有待解决。


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图2 KRAS(G12C)抑制剂作用过程





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G12Ci的初期临床效果

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自G12Ci发现之后7年来,几种非活性状态选择性KRAS(G12C)抑制剂取得了巨大进展,并已处于临床试验阶段。


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已有临床数据表明,抑制剂(如sotorasib和MRTX849)具有广泛的疗效,sotorasib临床试验结果报道见文末彩蛋部分“2022年ESMO大会上针对KRAS G12C靶点的最新临床研究进展更新”。几乎所有可用的G12Ci在临床前研究中都有一个选择性阈值,超出该阈值将会抑制野生型KRAS细胞的生长。同时,此类药物的共价结合性可能导致脱靶效应。

第一个通过剂量递增阶段的G12Ci--sotorasib临床试验疗效数据显示,接受sotorasib治疗的肺癌患者近一半表现出部分缓解(PR)。近88%的患者病情缓解或稳定,中位无进展生存期为6.3个月。       

MRTX849对肺癌和结直肠癌患者具有类似效果。尽管抑制机制相似,但sotorasib和MRTX849在消除半衰期(sotorasib,6小时;MRTX849,25小时)和给药方案(sotorasib每天一次;MRTX849每天两次)差异较大。





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G12Ci治疗的耐药机制

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在G12Ci治疗的最初24-72小时内,癌蛋白信号的抑制往往伴随着活性KRAS的再积累和ERK信号的再激活,即出现G12Ci治疗抗性,这将限制其治疗潜力和持续时间。活性KRAS的积累表明,受体酪氨酸激酶(RTK)和SOS1/2的代偿性激活在很大程度上是G12Ci治疗过程中适应性变化的主要原因。RTK可以通过两种方式调节对G12Ci治疗的适应(如图3)。


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图3 RTK调节G12Ci治疗抗性的方式


1.通过刺激SOS1/2介导的核苷酸交换,RTK活化后将KRAS(G12C)转变为对药物不敏感的GTP结合构象。

2.RTK也可以不依赖G12C的方式绕过抑制,即通过激活野生型RAS、PI3K/AKT/mTOR或其他途径。当G12Ci与PI3K或 mTOR抑制剂组合时存在抗增殖协同作用,说明PI3K/mTOR可能参与耐药的调节过程。

总之,非活性状态选择性KRAS(G12C)抑制剂的持续作用可以通过阻断新KRAS的产生、增强其降解或防止其转化为活性/药物不敏感状态来阻止治疗耐药性。





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G12Ci获得性耐药机制是什么?

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1)KRAS(G12C)的二次突变,阻碍药物结合或增强活性/药物不敏感构象的倾向;

2)增强KRAS上调,如KRAS扩增或其降解减少;

3)通过GEF(如SOS1/2)或其他上游中间体(如RTK或SHP2)激活核苷酸交换。


在靶点保持抑制时介导耐药性的事件可能包括:

1)通过RAF、MEK或ERK中的功能获得性事件以及RB1或细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂的功能缺失性事件激活下游信号;

2)通过NF1或PTEN的缺失或激活其他RAS家族GTPase的突变以激活平行信号通路。





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如何最大化G12Ci治疗的临床效果?

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(1)优化单一药物疗法。对KRAS(G12C)非活性状态具有高度亲和力的抑制剂,可以延迟药物适应性,使抑制更有效和持久。优化给药剂型或给药方案提高药物的反应率或程度。另外,间歇性给药原则上也有一定优势,但是需要综合评估其收益与不良反应。

(2)合理联合用药。因G12Ci疗效广泛非常适合联合治疗,新兴疗法包括共同靶向上游、下游或平行信号通路及细胞周期或免疫检查点的药物联合。

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①共同靶向上游信号。RTK抑制剂直接增加G12Ci与其目标结合的能力,EGFR抑制剂(西妥昔单抗或厄洛替尼)与G12Ci联合治疗结直肠癌或肺癌患者的临床试验已在进行中,结果报道见文末彩蛋部分“2022年ESMO大会上针对KRAS G12C靶点的最新临床研究进展更新”。另外,直接抑制多个RTK下游的核苷酸交换已被证明是有效的。另一种方法是共同靶向衔接磷酸酶SHP2。

②共同靶向平行信号通路RTK/PI3K/AKT/mTOR作为联合治疗的靶通路。

③共同靶向下游信号通路RAF/MEK/ERK。

④共同靶向细胞周期检查点,KRAS信号的一个关键输出是激活CyclinD:CDK4/6,进而导致RB1过度磷酸化使细胞通过G1/S周期检查点。

⑤共同靶向免疫检查点,KRAS信号对肿瘤微环境具有免疫抑制作用。





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 总    结

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KRAS研究在过去7年取得了重大进展,普遍认识到KRAS(G12C)是肺癌等多个癌种中最常见的驱动癌蛋白之一,其在癌细胞中处于兴奋状态,并通过核苷酸交换循环在活性和非活性构象之间转换,重要的是,它对阻断核苷酸交换循环的药物表现敏感。非活性状态选择性抑制剂破坏交换循环并将KRAS(G12C)捕获在其GDP结合状态以抑制癌症患者的肿瘤生长。由于KRAS(G12C)抑制持续时间仍受到耐药性的限制导致其临床试验效果欠佳,包括治疗反应调节剂、新兴联合疗法等解决方法正在逐步涌现。


参考文献:

Dongsung Kim, Jenny Yaohua Xue, and Piro Lito et al. Targeting KRAS(G12C): From Inhibitory Mechanism to Modulation of Antitumor Effects in Patients. Cell 183, November 12, 2020. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.044


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