KRAS抑制剂频获突破 “不可成药”靶点将成为历史？

第20届世界肺癌大会（WCLC 2019）即将在本周末在西班牙的巴塞罗那开幕，而本届大会备受关注的焦点之一是安进（Amgen）公司的KRAS抑制剂AMG 510在治疗非小细胞肺癌（NSCLC）患者时的最新数据。自从安进公司在今年的ASCO年会上首次公布AMG 510在临床试验中的积极结果，靶向这一“不可成药“靶点的研究再度成为业界关注的热点。今天药明康德内容团队将与读者介绍这一肿瘤学领域最著名的致癌基因之一，以及靶向KRAS研究的最新进展。

图片来源：参考资料[1]

KRAS——人类癌症中最常见的致癌基因

KARS基因编码的蛋白是一种小GTP酶（small GTPase），它属于RAS超蛋白家族。在细胞内，KRAS蛋白在失活和激活状态之间转变，当KRAS与鸟苷二磷酸（GDP）结合时，它处于失活状态，当它与鸟苷三磷酸（GTP）结合时，它处于激活状态，并且可以激活下游信号通路。KRAS在失活与激活状态之间的转换受到两类因子的调节。一类是鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF），这类蛋白催化KRAS与GTP的结合，从而促进KRAS的激活，其中包括SOS蛋白。另一类是GTP酶激活蛋白（GAP），这类蛋白能够促进与KRAS结合的GTP水解成为GDP，从而抑制KRAS的活性。

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大部分细胞中的KRAS处于失活状态，当它被激活后，可以激活多条下游信号通路，其中包括MAPK信号通路，PI3K信号通路，和Ral-GEFs信号通路。这些信号通路在促进细胞生存、增殖和细胞因子释放方面具有重要作用。

RAS是人类癌症中最常出现突变的致癌基因，而KRAS是RAS家族中最常出现的亚型，KRAS基因突变占RAS基因突变总数的86%。在人类癌症中，KRAS基因突变出现在接近90%的胰腺癌中，30-40%的结肠癌中，15-20%的肺癌中（大多为NSCLC）。它也会在胆管癌、宫颈癌、膀胱癌、肝癌和乳腺癌等癌症类型中出现。

▲不同RAS亚型在人类癌症中出现基因突变的频率（图片来源：参考资料[1]）

KRAS基因上出现的基因突变大多数出现在密码子（codon）12、13和61上。结构学研究表明，这些基因突变大多干扰KRAS水解GTP的能力。例如，最常见的KRAS G12C突变影响GAP蛋白与KRAS的结合，从而抑制GAP刺激的GTP水解。由于GTP酶水解能力的下降，更多的KRAS蛋白与GTP结合，导致处于激活状态的KRAS逐渐积累。

研究表明，致癌的KRAS基因突变除了直接促进肿瘤细胞的增殖和生存以外，还能够对肿瘤微环境产生影响。携带KRAS基因突变的肿瘤细胞能够分泌多种细胞因子、趋化因子、和生长因子，包括IL-6, IL-8, IL-23, CCL9, hedgehog等等。这些因子能够对肿瘤微环境中的基质细胞（stroma cells）进行重编程。例如，IL-6和IL-8能够在胰腺癌和肺癌中维持基质的炎症表型。而肿瘤细胞分泌的粒细胞 - 巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）能够刺激髓源抑制细胞（myeloid-derived suppressor cells, MDSC）对肿瘤的浸润，从而抑制抗肿瘤免疫反应。

▲KRAS影响的信号通路（图片来源：参考资料[1]）

靶向KRAS的药物开发策略

基于KRAS异常激活在癌症进展中的重要性和KRAS基因突变在人类癌症中的普遍性，KRAS一直是药物开发人员关注的靶点。目前有多种策略靶向KRAS蛋白和与之相关的信号通路。

直接靶向KRAS突变体

理论上，用小分子靶向KRAS与GTP结合的位点可以抑制KRAS和GTP的相互作用。虽然这种策略在靶向其它蛋白激酶方面获得了成功，但是KRAS与GTP的亲和力非常强，而且细胞中GTP浓度非常高。这让直接靶向KRAS的GTP结合位点的抑制剂很难生效。这也是让KRAS获得“无法成药“性的重要原因之一。

近年来，针对KRAS突变体的共价抑制剂研究的突破让通过异构位点（allosteric）靶向KRAS突变体成为可能。在KRAS G12C突变体中，与突变生成的胱氨酸共价结合的小分子更倾向与和GDP结合的KRAS蛋白相结合。而这一结合降低GTP与KRAS的亲和力，同时阻碍GEF催化GTP替换GDP，将KRAS G12C突变体锁死在失活状态。

▲KRAS G12C抑制剂成药机制（图片来源：Mirati官网）

KRAS G12C突变体上这一结合“口袋“的发现催生了多款靶向KRAS G12C突变体的小分子共价抑制剂。其中安进公司的AMG 510是首款公布临床试验结果的KRAS G12C抑制剂。Mirati Therapeutics公司的MRTX849也已经进入1/1b期临床试验，预计今年秋天将公布试验结果。该公司的另一款KRAS G12C抑制剂MRTX1257仍然处于临床前开发阶段。Wellspring Biosciences公司开发的ARS-3248的IND申请已经获得FDA批准。Janssen Biotech将接手进行1期临床试验和后续的临床开发。

除了这些进入临床开发的KRAS G12C抑制剂以外，勃林格殷格翰公司（Boehringer Ingelheim）近日在PNAS上发表的研究表明，该公司发现了能够以纳摩尔级别与KRAS蛋白结合的小分子抑制剂，这款名为BI-2852的小分子抑制剂结合的“口袋“与已有的KRAS G12C抑制剂不同，它与KRAS的结合能够影响到KRAS与GEF，GAP和下游效应子的结合。在体外试验中，这款抑制剂能够在携带KRAS基因突变的细胞中起到抗增殖作用。勃林格殷格翰计划以这一款抑制剂为基础，开发更为强效和具有特异性的KRAS抑制剂。

Mirati公司还有一款KRAS抑制剂旨在抑制KRAS G12D突变体。

靶向调节KRAS活性的蛋白

由于KRAS蛋白的“不可成药“性，靶向调节KRAS活性的蛋白成为间接靶向KRAS的一个研究方向。GEF能够催化GTP与KRAS的结合，因此抑制GEF功能的抑制剂可以间接降低KRAS的活性。目前，勃林格殷格翰的研发管线中有一款SOS1抑制剂，SOS1是催化GTP与KRAS结合的一种GEF。

另一个受到关注的靶点是SHP2，它是一种蛋白酪氨酸磷酸酶，对RAS/MAPK信号通路具有调控作用。科学研究表明，抑制SHP2活性可以与包括MEK抑制剂等其它治疗方法结合，增强对携带KRAS基因突变的肿瘤细胞的杀伤效果。诺华公司和Revolution Medicines公司都有SHP2抑制剂处于临床开发阶段。诺华公司近日也与Mirati公司达成合作协议，将检测该公司的SHP2抑制剂TNO155与Mirati公司的KRAS G12C抑制剂MRTX849联用的效果。

▲SHP2调节RAS信号通路（图片来源：Revolution Medicines官网）

间接靶向KRAS的策略

绕过KRAS蛋白缺乏小分子药物结合靶点的另一个方法是通过创新治疗模式间接KRAS蛋白。在这方面，靶向蛋白降解剂，RNAi疗法，反义寡核苷酸疗法和癌症疫苗都是研究人员探索的方向。目前，靶向KRAS的蛋白降解疗法和RNAi疗法仍然处于早期开发阶段。阿斯利康与Ionis公司合作开发的靶向KRAS的反义寡核苷酸疗法AZD4785已经被中止。在靶向KRAS的癌症疫苗方面，Elicio公司的KRAS癌症疫苗ELI-002在临床前试验中能够引发对KRAS蛋白突变体的强力免疫反应，导致T细胞对表达KRAS突变体的靶细胞产生强大的细胞裂解功能。Moderna公司也有一款靶向KRAS的mRNA癌症疫苗处于1期临床研究中。

虽然大多数靶向KRAS的研究仍然处于临床前和早期临床阶段，但是可喜的是，在长期被认为“不可成药”之后，靶向KRAS的新药研发重新复苏并且日渐升温。我们期待在本周末的世界肺癌大会上看到AMG 510的最新结果，也预祝针对KRAS的多项新药研发早日获得突破性进展，为广大癌症患者造福。

参考资料：

[1] Liu et al., (2019). Targeting the untargetable KRAS in cancer therapy. Acta Pharmaceutica Sinica B, https://doi.org/10.1016/j.apsb.2019.03.002

[2] Astra’s first attempt fails, but there’s no giving up on KRAS. Retrieved September 5, 2019, from https://www.evaluate.com/vantage/articles/news/trial-results/astras-first-attempt-fails-theres-no-giving-kras

[3] Kessler et al., (2019). Drugging an undruggable pocket on KRAS. PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.1904529116

[4] Structure-Based Drug Discovery of MRTX1257, a Selective, Covalent KRAS G12C Inhibitor with Oral Activity in Animal Models of Cancer. Retrieved September 5, 2019, from https://www.mirati.com/wp-content/uploads/2018/12/KRAS-Poster-AACR-RAS.pdf

[5] Mai and Lito, (2018). A treatment strategy for KRAS-driven tumors. Nature Medicine, https://doi.org/10.1038/s41591-018-0111-x