数十年失败后,KRAS终成NSCLC“可成药”靶点

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寻找抑制由KRAS突变引起的肿瘤生长的方法已经进行了40年,如今终于开始取得突破。这个被《Nature》评选为21世纪以来人类癌症研究的14项里程碑式进展之一,曾经被认为“无成药性”靶点,是如何被研究者攻破的呢?

数十年失败后,KRAS终成NSCLC“可成药”靶点

肺癌占所有癌症相关死亡的18%,是全世界癌症相关死亡的主要原因。它包括两种主要的亚型:小细胞肺癌和非小细胞肺癌(NSCLC),后者占肺癌的80%以上。非小细胞肺癌按组织学亚型进一步划分:腺癌(ADC)(60%)和鳞状细胞癌(SCC)(35%)是最常见的,每种都有不同的基因组图谱。直到最近,由于治疗选择有限,晚期NSCLC的预后仍然很糟糕,其5年生存率低于5%。

在过去的十年中,由于免疫检查点抑制剂的发展和可靶向的驱动子突变的鉴定,晚期NSCLC的治疗取得了重大突破。这些驱动程序突变主要在ADC中识别。与基于铂的化学疗法相比,针对这些驱动基因突变(EGFRALKROS1BRAFRETTRK抑制剂)的靶向疗法已被证明在提高应答率,无进展生存期和毒性方面是有效的。最近,已开发出一种潜在有效的NSCLC迄今无法靶向的致癌驱动子突变的抑制剂,即克尔斯滕大鼠肉瘤病毒同源癌基因(KRAS)抑制剂。在20%至25%的非小细胞肺癌中发现了KRAS突变,是最常见的致癌驱动因子。几十年前在NSCLC中发现了这些蛋白,而以前针对这些蛋白的努力还没有成功。该突变几乎只能在ADC中检测到。有趣的是,吸烟者和从不吸烟者的KRAS突变特征(即特定密码子替换的频率)是截然不同的。此外,并非所有的KRAS改变都是驱动程序突变。
01
KRAS生物学
野生型RAS生物学
RAS原癌基因编码属于GTPase家族的细胞内鸟嘌呤核苷酸结合蛋白。在结构上,RAS蛋白具有催化结构域和高变区(HVR)。催化域结合鸟嘌呤核苷酸并激活信号传导,而HVR序列决定RAS蛋白如何定位在发生信号传导的细胞膜上。单体RAS GTPases通过响应于细胞外信号在激活的GTP结合状态和非激活的GDP结合状态之间切换来调节下游信号传导。GTP酶激活蛋白(GAPs)和鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEFs)调节GTPGDP之间的交换。
RAS-GTP激活多个信号级联:包括RAS-RAF-MEK-ERK途径,这是癌症中通常通过细胞周期调控来控制增殖的超活化途径。RAS还激活PI3K-AKT-mTOR信号传导,促进细胞存活,以及RAS依赖性肿瘤生长和囊泡运输/细胞骨架所需的RAL和肿瘤侵袭和转移诱导蛋白1TIAM1-RAC1)途径。因此,RAS在调节细胞增殖,分化和凋亡中起重要作用。

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1.KRAS的生物学特性(aKRAS基因突变最常发生在12号染色体上。(bKRAS激活涉及GEF介导的GDP-GTP交换,从而使KRAS-GDP磷酸化为GTP并导致效应子功能。(cKRAS信号传导涉及多种细胞增殖途径。
RAS突变生物学和异质性
致癌的RAS突变通常涉及外显子23,导致GTPase功能受损,并从组成上减少从GTP结合到GDP结合的RAS的转化。这继而导致下游信号增加。重要的是要注意,作为RAS家族的KRAS突变是异质的,并可能导致涉及密码子121361的取代。在41%的KRAS突变型NSCLC中发现的最频繁的替代物是KRAS G12C。通常在有大量吸烟史的患者中发现这种突变。相比之下,KRAS G12D替代更常见于几乎没有吸烟史患者的肿瘤中。
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2.KRAS中突变的位置(a)最常见的氨基酸取代涉及密码子121361。(bKRAS取代的结构位置。(cKRAS G12氨基酸取代的结构表示。

特定的KRAS突变具有独特的生物学特征。例如,虽然KRAS G12G13Q61取代会损害GTP水解,但其他突变(例如KRAS A146T(胃肠道恶性肿瘤中最普遍的取代))与野生型KRAS相似,仍保持水解。A146T取代通过增加核苷酸交换而有利于KRAS-GTP的形成,从而导致更低的致癌潜能。KRAS突变的类型也会影响下游信号传导。对包含KRAS G12CKRAS G12V的细胞系进行临床前分析发现,与其他KRAS替代或野生型细胞系相比,RAS相关蛋白(RALA / B信号增加,磷酸化AKT的水平降低。相反,含有KRAS-G12D的细胞系优选激活PI3K-AKT途径)。

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3.KRAS变体及其优先途径的激活(a)与其配体结合后,激活的KRAS野生型向Ral A / BPI3KRAF途径发出信号。(bKRAS G12D优先激活PI3K途径(红色箭头)。(cKRAS G12C优先激活Ral A / B途径(蓝色箭头)。KRAS G12C是直接KRAS抑制剂(例如AMG 510)的目标。

RAS依赖

根据对突变KRAS维持肿瘤生存能力的需求,已鉴定出两组不同的KRAS突变型NSCLCKRAS依赖性肿瘤和KRAS独立性肿瘤。NSCLC细胞系的基因表达谱表明,KRAS依赖性与分化良好的上皮表型相关,而KRAS独立性与上皮间质转化(EMT)表型相关。KRAS依赖的特征是激活特异性途径和基因,导致独特的疾病表型。有趣的是,用TGFβ1(一种诱导EMT的细胞因子)治疗KRAS依赖性细胞,可降低KRAS驱动的依赖性。因此,EMT的存在提示了KRAS致癌基因成瘾的丧失。

共突变特征KRAS突变肿瘤具有独特的共突变特征。在对1078KRAS突变的NSCLC的最新分析中,有53%的肿瘤至少具有一种额外的基因组改变。最常见的突变涉及TP5339%),STK1120%)和KEAP113%)。这与另一一项研究一致,后者使用RNA测序来识别三个不同的常见共突变簇:(1STK11,(2TP53和(3)具有低TTF-1CDKN2A / B失活。

这三个亚组的生物学行为是不同的。有趣的是,STK11灭活的肿瘤表现出低氧诱导因子-1αHIF1α)介导的代谢重编程,并适应氧化和内质网应激以及KEAP1突变。这些肿瘤表达低水平的PD-L1,几乎不含肿瘤浸润淋巴细胞(TILs),从而形成了弱免疫微环境。相比之下,TP53突变型肿瘤的特点是高PD-L1表达,具有TIL的免疫丰富的微环境和免疫编辑(图4)。

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4.KRAS突变表型的免疫表型。左:KRAS / STK11突变型肿瘤表现出免疫力较弱的肿瘤微环境(冷肿瘤),缺乏CD8 TIL和丰富的T调节细胞。右:KRAS / TP53突变型肿瘤表现出免疫原性肿瘤微环境(热肿瘤),具有丰富的CD8 TIL,活化的树突状细胞和少量T调节细胞。

涉及CDKN2A / B失活的第三个KRAS共突变簇导致TTF-1阴性ADC发生率增加,提示其在肿瘤分化中的作用。它也与粘液组织学,mTORC1信号减少和野生型p53调控的转录物高水平有关。

除了在KRAS突变型NSCLC内从头异质性之外,在其他癌基因驱动的癌症对靶向治疗的耐药性设置中,KRAS突变也可能发生。因此,对KRAS突变肿瘤的共突变态势的同一调查毫不奇怪地发现,MET扩增为15%,EGFR突变为1%,BRAF突变为1%,ALK融合为0.5%。在一个系列中,同时发生KRAS突变的ALKEGFR突变NSCLCTKI治疗的反应较差,但这仍有待于更大的系列研究。

02
KRAS的预测作用
KRAS突变和化疗

几位研究者假设KRAS是对化学疗法反应的预测性生物标志物。例如,早期的临床前数据表明,在NSCLC模型中,KRAS突变的存在对培美曲塞(一种抗叶酸药物)具有更高的敏感性。发现培美曲塞治疗改变了KRAS RNA的表达,导致KRAS驱动的致癌作用下调。从生物学上讲,这可以通过KRAS突变细胞对叶酸代谢途径的更大依赖性来解释。不幸的是,这些临床前结果并未转化为增加的临床活动。对一线接受铂类双联化疗的1190KRAS突变型NSCLC患者进行的回顾性分析得出的结论是,与其他药物(如紫杉烷类药物)相比,培美曲塞无进展间隔时间最短。

尽管这些不同的结果可能是继较早的系列调查KRAS突变作为同质实体而不是异质实体的预测性质之后的结果,但按突变类型观察响应的数据也存在相似的矛盾。例如,来自Garassino等人的体外数据发现特定的KRAS突变与化学疗法的敏感性不同。敏感性差异的模式可以通过下游信号通路中的电位差异来解释。含KRAS G12D的模型对紫杉烷有抗性。具有KRAS G12V的模型对顺铂敏感,对培美曲塞有抗药性。最后,带有KRAS G12C的模型与对紫杉烷类和培美曲塞的反应增加有关,并表现出对顺铂的耐药性。但是,在上述对1190KRAS突变型NSCLC的回顾性分析中,突变类型确实导致了显著的反应差异,但这些结果与先前的临床前数据并不完全一致。例如,从紫杉烷类中受益最大的癌症是KRAS G12VG13D(而非KRAS G12C)。

KRAS突变和免疫疗法

除化学疗法外,KRAS突变还与NSCLC患者的检查点抑制剂获益相关。Checkmate 057的亚组分析发现,在KRAS突变型NSCLC中使用免疫检查点抑制剂(ICI)可以改善结局。在Kim等人最近的荟萃分析中,将ICIs与多西他赛进行了预治疗的NSCLC患者进行了比较,结果按KRAS状态进行了分层。再次,具有KRAS突变肿瘤的患者从ICI相对于化疗获得了显着的OS获益;那些患有野生型肿瘤的患者,ICI并未显示出更大的OS。其他几项试验表明,KRAS突变与对ICI的改善反应之间存在关联。设计了一个全球性的多中心注册表(ImmunoTarget)来回顾性评估具有多种驱动程序突变的NSCLC患者的敏感性。始终如一,与其他驱动因素(即EGFRALKROS1RET改变)相比,KRAS突变与免疫治疗获益增加有关。

KRAS突变与ICI获益之间存在积极的相互作用可能具有生物学基础。KRAS突变NSCLC通常表现出增加的肿瘤突变负担(TMB),可能导致ICI敏感性增加。这与其他趋向于显示低免疫原性的驱动基因突变(例如ALK融合蛋白)大不相同。据推测,这是由于吸烟者中选择的KRAS突变发生率增加,因为已知吸烟与体细胞肿瘤DNA突变升高和TMB升高有关。

伴随的改变可能会影响KRAS突变肿瘤的免疫原性。共同出现的TP53突变与增强的肿瘤细胞增殖和炎症有关,从而提供了免疫丰富的微环境。最近,一项试验发现,KRAS / TP53共突变的肿瘤表现出PD-L1的表达增加,TILs高,并且具有检查点抑制作用,具有明显的临床益处。相反,共发生STK11突变存在于大约20%的KRAS突变型NSCLC中,并且可能通过调节NF-kB途径降低免疫监视。与此一致的是,KRAS突变体和STK11突变体与降低的TIL相关,有助于抑制免疫监视。具有免疫惰性肿瘤微环境的肿瘤已被描述为“冷”肿瘤(图2)。

NSCLC中同时发生的KRASSTK11突变预示了对ICI的主要耐药性。根据回顾性数据得出的这些结果,对于这些突变的当前临床意义尚无共识。

03
KRAS作为治疗目标
靶向治疗

长期以来,挫折感一直是针对KRAS突变型肺癌的靶向疗法开发的标志。早期的试验探索了多种途径的抑制作用,如RHOA-FAKRAF-MEK-ERKPI3K / AKT / mTORNF-kBHSP90。这些试验在许多情况下因活性低和毒性显著而著名。由于尚无针对KRAS突变型肿瘤的靶向疗法被批准,因此当前的护理标准应遵循与致癌基因阴性NSCLC相同的治疗算法(即在治疗中使用单药免疫疗法或联合或不联合免疫疗法的铂类双重疗法)。

最近,针对KRAS G12C的新型靶向疗法已开始改变这种情况。对G12C的直接不可逆变构抑制直接破坏了天然核苷酸的偏好,从而使无活性的GDP优于有活性的GTP-RAS,并削弱了RAF的结合和下游信号传导。同样,基于喹唑啉的选择性化合物和鸟苷模拟抑制剂可抑制KRAS G12CGTP负载和细胞增殖。另一种不同的方法是等位基因特异性抑制,导致G12C陷入其非活性状态。

先前的非特异性KRAS抑制剂的一个担忧是脱靶毒性的风险,因为KRAS蛋白与其他蛋白共享相似的结合区和G结构域。尽管随着其他药物的开发和测试这可能带来挑战,但由于非恶性组织中不存在G12C替代,因此选择性KRAS G12C抑制剂不会导致重大不良事件。

AMG510I期试验最近发布了早期临床数据,AMG510是一种不可逆结合G12C的小分子,将KRAS锁定在非活性的GDP结合状态。该药物的半衰期为6小时。在13例可评估的NSCLC预处理患者中,有54%的患者获得了部分缓解,有46%的患者获得了稳定的疾病,疾病控制率为100%。鉴于没有剂量限制的毒性和几乎没有药物相关的副作用,安全性非常有利。II期试验正在进行中。另一个针对KRAS G12C的正在进行的计划是一项开放标签的I / II期试验,该试验评估了MRTX849(一种类似的小分子直接不可逆抑制剂)。临床前结果显示,来自患者的不同肿瘤类型的异种移植物的缓解率为65%。该药物的半衰期为20小时。评估直接G12C抑制剂JNJ-74699157的第三项试验刚刚开始招募(NCT04006301)。

RAS作为细胞治疗靶点

可以将对特定人类肿瘤相关抗原具有高度反应性的鼠T细胞受体逆转录病毒插入人类淋巴细胞,以增强免疫反应。由于RAS蛋白具有高度的免疫原性,目前正在对KRAS突变型癌症进行TIL的收集和离体扩增(称为过继细胞疗法)的研究。临床前数据支持CD8 + TIL对含KRAS G12D的结直肠癌的疗效。一致地,将扩展的TILs输注到结直肠癌患者中会导致延长的部分反应。同一组对第二名患有KRAS G12D突变型结直肠癌的患者重复了这一过程,但没有任何反应。同样,G12V反应性CD4 + T细胞也被分离,扩增并显示出对KRAS G12V突变NSCLC细胞的体外功效。KRAS G12DG12V患者正在接受临床试验(NCT03190941NCT03745326)。这样的程序是费力的并且需要肿瘤组织的收集,TIL的收获和扩展,通过化学疗法的调节和白介素疗法。与其他标准疗法和研究疗法(即化学疗法,免疫疗法和靶向疗法)相比,过继性T细胞疗法在临床上面临着独特的后勤和财务挑战。

KRAS突变型肺癌高度异质。突变类型和共突变特征的差异可以调节肿瘤生物学和对治疗的反应。尽管有关化学疗法的反应数据相互矛盾,但KRAS突变与非小细胞肺癌对免疫疗法的良好反应更为一致。相反,在KRAS突变肿瘤中同时发生STK11突变与免疫治疗的获益降低有关。最终,随着在临床中引入直接KRAS G12C抑制剂,治疗前景开始发生变化。初步数据表明,该策略在前瞻性试验中是积极且安全的。

参考文献:Cancer Treat Rev. 2020 Apr; 85: 101978.

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END
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