Jak naukowcy radzą sobie z problemem K-Ras w raku

K-Ras należy do rodziny genów RAS, których produkty genowe obejmują jedne z najważniejszych modulatorów sygnalizacji w komórkach nowotworowych. Reguluje on proliferację i przeżywalność wielu typów nowotworów, od raka okrężnicy i płuc po trudny do wyleczenia rak trzustki. Niestety, pomimo mutacji K-Ras występujących tak często w ludzkich nowotworach, okazało się, że trudno jest specyficznie zahamować aktywność K-Ras, co doprowadziło do tego, że naukowcy spędzili wiele czasu na badaniu i próbach znalezienia różnych sposobów na bezpośrednie ukierunkowanie go.

Co to jest K-Ras i dlaczego tak trudno jest go namierzyć?

K-Ras jest jednym z trzech genów RAS występujących u ludzi (pozostałe to NRAS i HRAS), które kodują małe trifosfatazy guanozynowe (GTPases), przekształcające GTP w GDP (małe cząsteczki sygnałowe). K-Ras normalnie znajduje się w stanie związanym z GDP, co czyni go nieaktywnym. Wymaga czynnika wymiany nukleotydu guanozynowego (GEF), aby usunąć PKB i zastąpić go GTP, aktywując białko i wywołując kaskadę sygnałów obejmującą wiele ścieżek, które często powodują ekspresję genów związanych ze wzrostem, proliferacją i przeżyciem.

Dlaczego więc tak trudno jest bezpośrednio skierować się na K-Ras? K-Ras ma niezwykle wysokie powinowactwo do GTP (w zakresie pikomolarnym), a także milimolarne stężenia tego białka wokół niego. Dlatego też wczesne próby zaprojektowania leków ukierunkowanych na aktywację K-Ras często kończyły się niepowodzeniem, ponieważ GTP pokonywał lek. W związku z tym zaczęto stosować pośrednie metody oddziaływania na białko K-Ras, w tym leki uniemożliwiające jego przyleganie do błony plazmatycznej. Poprzez ukierunkowanie na transferazę farnezylową, enzym, który dodaje modyfikację lipidową do K-Ras, naukowcy byli w stanie zablokować jego związek z błoną; jednakże, miało to niewielki efekt u ludzi podczas testów klinicznych w fazie III. Dwie inne cząsteczki, które zaburzają lokalizację K-Ras poprzez hamowanie prenylacji (dodawanie modyfikacji hydrofobowych), deltarasin i deltazinon, również były oceniane w eksperymentalnych modelach raka napędzanego przez Ras. Jednak oba nie zostały jeszcze przetestowane klinicznie.¹

Inną metodą blokowania sygnalizacji K-Ras jest ukierunkowanie na jej efektory downstream. Obecnie trwa kilka badań klinicznych nad inhibitorami cząsteczek biorących udział w kaskadzie sygnalizacji K-Ras, takich jak RAF, Mek i Erk. Jednak te czynniki efektorowe nie są tak łatwe do zidentyfikowania, ponieważ zahamowanie jednej cząsteczki może często prowadzić do aktywacji równoległej ścieżki, która omija kaskadę i utrzymuje wzrost guza. Doprowadziło to do kilku trwających badań z zastosowaniem kombinacji inhibitorów co najmniej dwóch ścieżek, takich jak RAF i PI3K. Niektórzy próbowali nawet stosować kombinację leków anty-Ras z inhibitorami białek sygnałowych downstream.²

Nowa klasa małych cząsteczek

Jednym z największych przełomów 2019 roku w farmacji było to, że nadaktywna aktywność GTPazy K-Ras może być bezpośrednio ukierunkowana za pomocą inhibitorów małych cząsteczek. Dwie grupy niedawno zgłosiły cząsteczki, które mogą bezpośrednio wiązać zmutowane formy K-Ras z wystarczającą specyficznością i czułością, aby dać naukowcom nadzieję, że mogą to być potencjalne ulepszenia w stosunku do obecnych metod leczenia nowotworów napędzanych przez Ras.

Jedną z tych dwóch grup jest Amgen, który leczył zarówno zwierzęta, jak i ludzkich pacjentów związkiem o nazwie AMG 510. Ta mała cząsteczka wiąże się kowalencyjnie z kryptycznym rowkiem powierzchniowym w formie związanej z PKB mutanta K-Ras G12C, rozpoznając zmutowane białko, ale nie formę typu dzikiego. W warunkach in vitro stosunkowo skutecznie zapobiegał wymianie GDP na GTP i hamował sygnalizację downstream poprzez ERK. U myszy AMG 510 był skuteczny w zmniejszaniu objętości guza tylko wtedy, gdy obecny był aktywny układ odpornościowy, co doprowadziło do dalszych eksperymentów z zastosowaniem immunoterapii z użyciem przeciwciał skierowanych przeciwko białku immunomodulującemu, programowanej śmierci komórki-1 (PD-1), które często umożliwia nowotworom uniknięcie nadzoru immunologicznego. Połączenie AMG 510 z przeciwciałami PD-1 było lepsze niż którekolwiek z tych działań osobno, lecząc 90% myszy immunokompetentnych, a nawet czyniąc je odpornymi na ponowne wprowadzenie komórek nowotworowych. Firma Amgen odniosła również sukces u pacjentów z niedrobnokomórkowym rakiem płuc (NSCLC) - u czterech pacjentów wszyscy wykazali pozytywną odpowiedź na lek.³

Jeszcze jedna grupa odniosła pewien sukces kliniczny bezpośrednio celując w K-Ras poprzez stabilizację formy związanej z PKB. W artykule Hallina i wsp. w Cancer Discovery opisują oni małą cząsteczkę inhibitora, MRTX849, która selektywnie hamuje aktywność zmutowanego K-Ras zarówno w liniach komórkowych raka trzustki i płuc, jak i w modelach mysich opartych na ksenograftach i liniach komórkowych, gdzie powodowała regresję guza w 17 z 26 badanych modeli. Lek był dalej testowany u co najmniej dwóch pacjentów z rakiem płuc, którzy nie reagowali już na konwencjonalne chemioterapie, u każdego z nich wykazując częściowe zmniejszenie wzrostu guza. Autorzy zasugerowali również, że połączenie MRTX849 z inhibitorami sygnalizacji zarówno upstream, jak i downstream mogłoby jeszcze bardziej zwiększyć jego aktywność przeciwnowotworową.⁴

Bezpośrednie ukierunkowanie na KRAS za pomocą RNAi

Techniki interferencji RNA (RNAi) mogą być wykorzystane do wyciszenia ekspresji genów. Przynajmniej jedna grupa, pracująca w MD Anderson Cancer Center, wykorzystała siRNA - metodę RNAi, która wykorzystuje dwuniciowe cząsteczki RNA - do skutecznego wyciszenia ekspresji genu KRAS, tym samym bezpośrednio hamując jego zdolność do sygnalizacji. W przeciwieństwie do wielu terapii siRNA dostarczanych przez nanocząstki lipidowe, dr Raghu Kalluri i jego grupa wykorzystali egzosomy, endogenne pęcherzyki pozakomórkowe, które składają się z warstwy lipidowej i mają wielkość od 40 do 150 nm, aby dostarczyć siRNA specyficzne dla KRAS. Oczyszczono egzosomy, poddano je elektroporacji w celu włączenia siRNA, a następnie wstrzyknięto je z powrotem myszom niosącym guzy trzustki odporne na tradycyjne środki chemioterapeutyczne. Dzięki tej strategii udało się obniżyć poziom ekspresji K-Ras, zmniejszyć rozmiar guzów i zahamować sygnalizację związaną z K-Ras.⁵ Terapia ta wchodzi obecnie w fazę I badań klinicznych u pacjentów z rakiem trzustki i mutacją KRAS G12D (NCT03608631).⁶

Inną formą RNAi stosowaną do zwalczania KRAS jest mikroRNA (miRNA), czyli krótkie niekodujące RNA o długości od 22 do 24 par zasad, które celują w 3ʹ nieprzesuwany region mRNA, skutecznie hamując translację. W jednej z prac, opublikowanej w Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), Mario Acunzo i wsp. zaprojektowali miRNA specyficzne dla zmutowanych punktowo transkryptów KRAS i przetestowali swój konstrukt in vitro na modelach linii komórkowych raka płuc. Ich miRNA dla KRAS nie tylko hamowało aktywność zmutowanego K-Ras, ale także uwrażliwiało komórki na inne chemioterapeutyki, takie jak inhibitor receptora naskórkowego czynnika wzrostu gefinitib, bez wywoływania jakichkolwiek obserwowalnych efektów pozacelowych.⁷

Leki biologiczne K-Ras

Celowanie przeciwciałami w K-Ras stanowi jeszcze jedną metodę ograniczania jego aktywności. Jedna z prac, pochodząca od Kim i wsp. z 2017 roku, opisała przeciwciało, które wiązało się tylko z aktywną formą Ras, i które zostało połączone ze szkieletem przeciwciała (TMab4) zdolnego do penetracji komórek. Niektórzy zastosowali nawet mimetyki przeciwciał w modelach raka jelita grubego, które celują w Ras związany z PKB, aby zapobiec wymianie nukleotydów i skutecznie zahamować sygnalizację zarówno przez szlaki downstream Erk, jak i Akt.⁸

Referencje:

1. Porru M, Pompili L, Caruso C, Biroccio A, Leonetti C. Targeting kras in metastatic colorectal cancer: Obecne strategie i pojawiające się możliwości. J Exp Clin Cancer Res. 2018;37(1):1-10.
2. Misale S, Fatherree JP, Cortez E, et al. Modele KRAS G12C NSCLC są wrażliwe na bezpośrednie ukierunkowanie KRAS w połączeniu z inhibicją PI3K. Clin Cancer Res. 2019;25(2):796-807.
3. Herbst RS SJ. Mała cząsteczka w końcu zwalcza rakotwórcze białko KRAS. Nature. 2019.
4. Hallin J, Engstrom LD, Hargis L, et al. The KRASG12C Inhibitor, MRTX849, Provides Insight Toward Therapeutic Susceptibility of KRAS Mutant Cancers in Mouse Models and Patients. Cancer Discov. 2019.
5. Kamerkar S, Lebleu VS, Sugimoto H, et al. Exosomes facilitate therapeutic targeting of oncogenic KRAS in pancreatic cancer. Nature. 2017;546(7659):498-503.
6. Setten RL, Rossi JJ, Han S ping. The current state and future directions of RNAi-based therapeutics. Nat Rev Drug Discov. 2019;18(6):421-446.
7. Acunzo M, Romano G, Nigita G, et al. Selektywne ukierunkowanie zmutowanego punktowo KRAS poprzez sztuczne mikroRNA. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114(21):E4203-E4212.
8. Spencer-Smith R, O'Bryan JP. Bezpośrednie hamowanie RAS: Quest for the Holy Grail? Semin Cancer Biol. 2019;54:138-148.