關于 KRAS 及相關信號通路
KRAS 基因是一種人類癌癥中突變頻繁的原癌基因，屬于 RAS 超家族，該家族成員還包括 H-RAS 和 N-RAS。約有 30% 的人類癌癥攜帶 RAS 突變，KRAS 更是 RAS 突變中最常見的突變亞型[1][2]，KRAS 突變以單堿基錯義突變為主，其中 80% 以上是第 12 號 (G12) 氨基酸殘基發生突變，常見的突變類型包括 G12C、G12D 和 G12V 等[1][2][3]。
KRAS 基因編碼一種小 GTP 酶 (small GTPase)。KRAS 在與 GTP 結合時處于激活狀態，而與 GDP 結合時處于非激活狀態。在生理條件下，這兩種狀態之間的轉換由鳥嘌呤核苷酸交換因子 (GEFs) 通過催化 GDP 交換 GTP 來調節，或 GAP 蛋白 (GTPase-activating proteins) 增強 RAS 固有的 GTPase 活性加速 GTP 水解來調節[1][4]。
圖1. KRAS 激活與信號轉導的調控過程[4]
KRAS 的逆襲：從不可成藥到可成藥
由于 KRAS 蛋白分子較小，難找到與小分子藥物結合的位點；且 KRAS 對 GTP 的親和力極強，難有藥物可以與 GTP 競爭，此外，KRAS 除驅動腫瘤發生發展外，也是正常細胞活動所需蛋白，靶向突變型 KRAS 活性位點的小分子往往還抑制野生型KRAS 活性。因此，KRAS 曾被認為是腫瘤藥研發領域 “不可成藥” 的靶標的代名詞。
2021 年，KRAS G12C 基因突變的共價抑制劑 Sotorasib(AMG510) 獲批上市，打破了 KRAS 靶點無藥可用的局面 (首款被批準用于治療攜帶 KRASG12C突變的局部晚期或轉移性 NSCLC 患者的靶向療法)，更是迎來了 KRAS 抑制劑的 “大發展” 。如圖 2 所示，目前進入臨床的靶向KRASG12C的藥物有MRTX849(臨床 3 期)、LY3499446 (臨床 1/2 期)、GDC-6036(臨床 1 期) 和 JNJ-74699157 (ARS-3248) (臨床 1 期，因毒性而終止) 等[4]。 除小分子抑制劑，靶向 KRAS 的 PROTAC 的相關研究也在進行中，今年 2 月，Eur J Med Chem期刊報道了首個可逆共價 KRASG12CPROTAC YF135，YF135 通過 E3 連接酶 VHL 介導的蛋白酶體途徑，可誘導快速和持續的內源性 KRAS G12C 降解并減弱 pERK 信號傳導[6]。
此外，除了上述直接靶向 KRAS 的抑制劑，還有靶向調節 KRAS 活性的蛋白來實現調控 KRAS 活性 (如抑制鳥嘌呤核苷酸交換因子 (GEF) 可以間接降低 KRAS 的活性) 的間接方法。如 SOS1 抑制劑，通過與 SOS1 結合來抑制 KRAS，且無論 KRAS 突變類型如何，均可實現 KRAS 阻斷[4]。
圖 2. 在研的 KRAS 突變抑制劑[3]
靶向 KRAS 的其他突變點
雖然 AMG 510 的上市打破了 KRAS 靶點不可成藥的認知，但是目前在研的 KRAS 靶向藥物都是靶向 G12C 突變體。據統計，在發生 KRAS 突變的病人中，G12D 突變比例約占 26%，G12V 突變比例約占 20.7 %，G12C 突變比例約占13%[3], G12D 突變比例在胰腺癌和結直腸癌中最高。而 G12C 突變比例在肺腺癌中最高[2]。G12D 和 G12V 突突仍然缺少靶向藥物。
今年 3 月，Mirati Therapeutics 在 J Med Chem 報道了 KRAS G12D 的非共價選擇性抑制劑 MRTX 1133的研究進展。
研究結果表明：作為選擇性和可逆 KRASG12D抑制劑，MRTX1133 對 KRASG12D的 KD為 0.2 pM，MRTX1133 阻止 SOS1 催化的核苷酸交換和/或KRAS G12D/GTP/RAF1 復合物的形成，從而抑制突變體 KRAS 依賴性信號轉導。MRTX1133 選擇性抑制 KRASG12D突變體腫瘤細胞，但不抑制 KRAS 野生型細胞。MRTX1133 在細胞實驗中具有一位數納摩爾活性，MRTX1133 還在多種 KRASG12D突變的胰腺癌異種移植腫瘤模型中顯示出顯著的體內療效[5][7]。
圖 4. a. MRTX1133 體外實驗數據[5]
b-d. MRTX1133 在不同異種移植腫瘤模型中顯示了抗腫瘤療效[7]
今年 4 月，Nature Cancer 報道了 EGFR × LGR5 雙特異性抗體 MCLA-158 (Petosemtamab)，MCLA-158 可以識別 EGFR (表皮生長因子受體) 和 LGR5 (腫瘤干細胞表面的標志物)。目前的抗 EGFR 療法有一些局限性，它們對 RAS 癌基因家族 (主要是 KRAS) 中激活突變的結腸直腸癌無效[8]。研究人員針對結腸直腸癌腫瘤干細胞表面高表達分子 (LGR4, LGR5, RNF43 和 ZNRF3) 和 EGFR 生成抗體文庫，并建立了一個大型的患者來源的類器官庫源，通過對候選抗體進行篩選，最終得到了 MCLA-158。
圖 5. 抗體篩選
MCLA-158 抗體示意圖及對從免疫的人源化小鼠獲得的噬菌體文庫和合成文庫進行篩選[8]
在這篇文章比較了 MCLA-158 與 Cetuximab (西妥昔單抗；EGFR 單克隆抗體) 治療效果，在體外，如圖 6a，MCLA-158 抑制了 11 種患者來源的類器官模型 (共測試 21 種) 的生長速率。MCLA-158 對攜帶 KRAS 突變 (C0M, C55T, C27T, C31M 和 C25T) 的類器官的生長抑制效果明顯。并且在 KRAS 野生型和突變型的類器官中，西妥昔單抗和 MCLA-158 抑制生長的 IC50差異較大 (8 到 125 倍)，對攜帶 KRASG12V/G12D突變的腫瘤類器官的IC50為 0.08 和 0.39 μg/mL。
圖 6. MCLA-158 與西妥昔單體外治療效果的對比[8]
a. MCLA-158 或 Cetuximab 處理后，患者來源的 PDOs 的轉錄變化。b. MCLA-158 或 Cetuximab 對結直腸癌患者來源的類器官生長的影響。c-d. 流式檢測 MCLA-158 反應者與無反應者 PDOs 中 LGR5+ 細胞的百分率。
在體內，MCLA-158 在 P18T (KRASWT) 或 C31M (KRASG12D突變) 類器官接種產生的皮下異種移植腫瘤模型中均表現出了比西妥昔單抗 Cetuximab 更強的體內抗腫瘤活性。此外，Western 檢測 P18T (KRAS 野生型) 和 C55T (KRASG12V突變) 的類器官蛋白提取物，結果表明：相比于西妥昔單抗，MCLA-158 顯著下調了 EGFR 的表達。
圖 7. MCLA-158 與西妥昔單抗 Cetuximab 治療效果的對比[8]
a. 小鼠攜帶 PDO c31m 來源的皮下異種移植組織 b. 三個 KRAS 突變 PDOX (來自不同的患者)盲腸的大小或重量 c. Western blot 檢測 P18T, C55T 或 C82N (正常黏膜PDO) 蛋白提取物 EGFR 水平
此外，今年 6 月，Cell Discovery 發表了題為 “KRAS(G12D) can be targeted by potent inhibitors via formation of salt bridge” 的研究論文。該文章報道了一款靶向 KRASG12D的長效抑制劑 TH-Z827，TH-Z827 對 KRASG12D的抑制作用比對 KRASG12C 的抑制作用強近 10 倍（IC50=2.4 μM 對 IC50=20 μM)[9]。
總結：
隨著 Sotorasib獲得 FDA 的批準，KRAS 抑制劑開發的曙光已經顯現，KRAS 抑制劑實現了從無到有的突破。相信除了 KRASG12C抑制劑的成功研發，靶向 KRASG12D、KRASG12V，以及能夠靶向多種、甚至全部 KRAS 突變體的泛 KRAS (pan-KRAS) 的藥物的發展隊伍也將日益壯大。
相關產品
Sotorasib (AMG-510) 是一種選擇性的 KRAS G12C 共價抑制劑。
Adagrasib (MRTX849) 是一種選擇性的 KRAS G12C 共價抑制劑。
BI-2852 是基于藥物結構設計的 switch SI/II 口袋的 KRAS 抑制劑。
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BAY-293
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Cetuximab 是一種 EGFR 單克隆抗體。
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參考文獻
1. Uprety D, Adjei AA. KRAS: From undruggable to a druggable Cancer Target. Cancer Treat Rev. 2020;89:102070.
2. Moore AR, Rosenberg SC, McCormick F, Malek S. RAS-targeted therapies: is the undruggable drugged? Nat Rev Drug Discov. 2020;19(8):533-552.
3. Hofmann MH, Gerlach D, Misale S, Petronczki M, Kraut N. Expanding the Reach of Precision Oncology by Drugging All KRAS Mutants. Cancer Discov. 2022;12(4):924-937.
4. Huang L, Guo Z, Wang F, Fu L. KRAS mutation: from undruggable to druggable in cancer. Signal Transduct Target Ther. 2021;6(1):386.
5. Wang X, Allen S, Blake JF, et al. Identification of MRTX1133, a Noncovalent, Potent, and Selective KRASG12D Inhibitor. J Med Chem. 2022;65(4):3123-3133
6. Fang Yang, Yalei Wen, Chaofan Wang, Yuee Zhou, Yang Zhou, Zhi-Min Zhang, et al. Efficient targeted oncogenic KRAS G12C degradation via first reversible-covalent PROTAC. Eur J Med Chem. 2022 Feb 15;230:114088..
7. James G Christensen Mirati Therapeutics, San Diego. Discovery and Characterization of MRTX1133, a Selective Non-covalent Inhibitor of KRASG12D.AACR-NCI-EORTC Virtual International Conference on MOLECULAR TARGETS Ameri ANDCANCER THERAPEUTICS for Cal FINDING October 7-10, 2021
8. Herpers B, Eppink B, James MI, et al. Functional patient-derived organoid screenings identify MCLA-158 as a therapeutic EGFR × LGR5 bispecific antibody with efficacy in epithelial tumors. Nat Cancer.
9. 2022;3(4):418-436. Zhongwei Mao, Hongying Xiao, Panpan Shen, Yu Yang, et al. KRAS(G12D) can be targeted by potent inhibitors via formation of salt bridge. Cell Discov. 2022 Jan 25;8(1):5.
