臭名昭著了三十年的KRAS，終於在去年，被一個叫sotorasib的小分子給破了「不可成藥」的魔咒[1]。
然而， sotorasib僅能靶向抑制在非小細胞肺癌中較為常見的KRAS G12C的突變，對於其他更為常見的突變類型如KRAS G12D和KRAS G12V等，依然無能為力。
面對種類繁多的KRAS突變，要針對每種突變研發出單獨的特異性抑制劑，許是長路漫漫。那麼，我們能不能「抄近路」設計出一種廣譜KRAS抑制劑來一招制勝呢？
這不，說曹操，曹操到，KRAS突變的廣譜克星，來了！
奧地利科學家Macro Hofmann和Norbert Kraut領銜的研究團隊，近日在著名期刊Cancer Discovery上報導了一種對多種KRAS突變有效的SOS1選擇性抑制劑BI-3406[2]。
研究人員發現，BI-3406不僅對KRAS G12C突變有效，還對多種非G12C突變，以及NF1和EGFR突變的癌細胞和腫瘤都有抑制作用。
此外，BI-3406還能與MEK抑制劑trametinib和上文提及的sotorasib聯用發揮協同作用，以增強並延長抗腫瘤療效。
正所謂，眾里尋他千百度，那「人」卻在KRAS上游處。
論文首頁截圖
在正常細胞中，KRAS蛋白受到以SOS1為代表的鳥苷酸交換因子（GEF），和以NF1為代表的GTP酶激活蛋白（GAP）調控，在激活態（KRAS-GTP）和失活態（KRAS-GDP）中循環往復。然而，KRAS突變打破了這種穩態。突變的KRAS通過降低自身的GTP酶活性，限制NF1對KRAS的調控，讓SOS1對KRAS的激活作用占了上風，成為調控KRAS的中心樞紐。
一旦KRAS的上游信號通路被激活，收到信號的SOS1蛋白會被立即招募到細胞膜上與KRAS-GDP結合併催化KRAS裝載GTP，從而形成KRAS-GTP複合物來激活下游多條觸發癌細胞增殖的信號通路。而KRAS-GTP複合物又可以和SOS1上的別構點結合，通過正反饋來增強SOS1的活性，激活更多的KRAS。
因此，如果說直接靶向KRAS是一箭穿心，那麼抑制住SOS1蛋白就是摘下了這顆心臟的起搏器。
SOS1調控KRAS示意圖[3]
Macro Hofmann團隊通過高通量篩選和結構修飾，從170萬個化合物分子中優選出SOS1抑制劑BI-3406。
BI-3406可與SOS1的催化口袋特異性結合，並且具有極高的親和性，在蛋白層面上僅需幾納摩爾每升的BI-3406即可有效阻斷SOS1與KRAS G12D和KRAS G12C的相互作用。同時在具有KRAS G12C和KRAS G12S突變的癌中細胞，抑制50%的RAS-GTP合成，也只需要83-231 nmol/L的藥物濃度。
BI-3406結合SOS1催化口袋的共晶X射線衍射結構示意圖
左：SOS1表面結構（深紅色：SOS1結合RAS的催化口袋；綠色：SOS1結合RAS的別構位點）；
右上：BI-3406（黃色骨架）與SOS1在結合位點的相互作用；右下：BI-3406分子骨架結構
在細胞增殖實驗中， Macro Hofmann團隊分別選取KRAS G12C，G12S，及G13D型細胞系並建立相關3-D腫瘤球模型。研究發現BI-3406對KRAS野生型細胞系的生長無效，而對所有突變細胞系的生長具有抑制作用，且該作用呈現明顯的濃度依賴性，其半數有效抑制濃度在16-52 nmol/L之間。
BI-3406對不同細胞系的增殖抑制作用
（A375：KRAS WT及BRAF V600F；NCI-H520：KRAS WT和BRAF WT；A549：KRAS G13D；NCI-H23：KRAS G12C；NCI-H358：KRAS G12C）
為了進一步發掘對BI-3406敏感的KRAS突變類型，研究人員用NCI-H23（KRAS G12C）細胞系作為模板，將其中的G12C替換成純合型或雜合型的G12D，G12V，G12R，G13D，和Q16H。研究發現，BI-3406對所有依賴SOS1激活的KRAS突變癌細胞都有抑制作用，而對SOS1非依賴型的KRAS G12R和Q61H突變沒有抑制效果。
BI-3406對多種異基因NCI-H23細胞系的增殖抑制作用
上述發現也在動物腫瘤模型中得到驗證。由於BI-3406給藥一次後對KRAS下游ERK蛋白的活性抑制作用大約可以持續7-10小時，研究人員選擇了一日兩次的口服給藥方案。
結果顯示，在具有KRAS G12C突變的胰腺癌MIA PaCa-2模型中，BI-3406能夠顯著抑制腫瘤增殖，並且劑量越高，抑瘤效果越明顯。
此外，在SW620（KRAS G12V），LoVo（KRAS G13D），和A549（KRAS G12S）模型中，使用一日兩次50 mg/kg的給藥方案治療20-23天後，腫瘤的增長相較於對照組分別被顯著抑制了61%，62%，和89%。
BI-3406對KRAS突變腫瘤動物模型的抗腫瘤作用
（TGI：tumor growth inhibition腫瘤增殖抑制；bid，twice daily一日兩次）
更有意思的是，BI-3406並不偏安於KRAS一隅。
在對40個具有KRAS，NRAS，HRAS， EGFR，NF1，和BRAF突變的癌細胞進行檢測時，研究人員發現在17個對BI-3406敏感的細胞系中，只有11個檢測到KRAS G12或G13的突變，其餘6個都在NF1或EGFR發生了突變。而在所有 NF1突變的細胞系中，竟有50%的細胞系對BI-3406敏感。
BI-3406對40種癌細胞的敏感性匯總
上：BI-3406對各細胞的IC50值；中：癌細胞種類；下：各細胞突變類型及雜合指數（深藍色表示野生型，淺藍色表示雜合程度未知）
不僅承包了KRAS G12和G13，還順帶接管了NF1和EFGR突變，BI-3406這一石多鳥的功力，真是絕了~
不過，SOS1和KRAS的愛恨情仇，並不止步於此。早期研究發現，MAPK通路被激活後，被激活的ERK蛋白可以通過磷酸化SOS1來負反饋抑制SOS1的活性[4，5]。在正常情況下，這種調節可以避免MAPK通路的過度激活。
然而，對於靶向MAPK通路的藥物來說，這種負反饋調節卻為腫瘤耐藥創造了先機。
例如有研究發現，用單藥MEK抑制劑trametinib 治療KRAS突變的腫瘤會讓腫瘤產生對trametinib的獲得性耐藥[6]，其機理之一就可能在於trametinib在抑制了MAPK通路的同時也阻斷了ERK對SOS1的負反饋調節，從而再次激活了KRAS/MAPK通路，抵消了trametinib原本的療效。
近期針對KRAS G12C抑制劑的研究也發現了MAPK通路被重新激活的獲得性耐藥現象[7]。
SOS1參與KRAS激活信號通路示意圖[8]
此外，在SOS家族中， SOS1蛋白其實還有個叫SOS2的同胞姐妹。兩者都同樣可以催化KRAS與GTP的結合， 但是ERK對SOS2沒有負反饋調節作用[3]。而前期的動物實驗發現，同時敲除了SOS1和SOS2基因的小鼠生存曲線十分陡峭[9]，所以出於安全性的考慮，研究人員只能犧牲一部分藥效而選擇性抑制作用更為廣泛的SOS1。
那麼， 將SOS1抑制劑與trametinib或KRAS G12C 抑制劑聯用，是不是可以規避後兩者的獲得性耐藥，還能增強SOS1抑制劑的療效呢？
對於這個問題的答案，Macro Hofmann團隊也為你準備好了。研究發現，在胰腺癌MIA PaCa-2（KRAS G12C）細胞中，BI-3406和tramatinib聯用幾乎完全抑制了ERK的活性，MEK1/2的獲得性激活也較tramatinib單藥組降低。
而在MIA PaCa-2動物腫瘤模型中，聯合用藥組在給藥第29天的抑瘤率達到了107%，顯著高於兩個單藥組，而且聯用組的藥效在停藥後還持續了將近22天。相似的現象在KRAS G13D突變的結直腸癌LoVo模型、KRAS G12C結直腸癌PDX模型 和KRAS G12V胰腺癌PDX模型中也得到了驗證。
BI-3406及Trametinib單藥及聯用對MIA PaCa-2腫瘤的抑制作用對比
研究人員趁熱打鐵又在KRAS G12C抑制劑sotorasib（AMG 510）上試了試聯用BI-3406的功效。果不其然，加入BI-3406後，藥物對MAPK通路的抑制作用更強了，藥效的持續時間也更長了。實驗還對比了SOS1上游蛋白SHP2的抑制劑SHP099與sotorasib聯用的效果，發現兩種聯用方案對MAPK通路的作用十分相似。
綜上所述，這款SOS1特異性抑制劑BI-3406不僅摘下了多種KRAS G12及G13D突變的起搏器，還是能和多種藥物協同抗擊KRAS突變的「萬金油」。
雖然在這次研究中，Hofmann團隊並沒有發現BI-3406抑制SOS1會補償性升高SOS2的表達，但是在人體中是否存在這種潛在的耐藥機制還需要開展進一步的臨床試驗來進行驗證。
現如今，有關BI-3406的衍生物BI-1701963的研發已進入臨床試驗階段。BI-1701963單藥和聯用trametinib的臨床I期試驗（NCT04111458）正在如火如荼地展開，而它和KRAS G12C抑制劑adagrasib（MRTX849）聯用的臨床試驗也在緊鑼密鼓地籌備中[10]。就讓我們期待不久的將來能有更多的臨床數據問世吧！
參考文獻
1. Hong DS, Fakih MG, Strickler JH, et al. KRASG12C Inhibition with Sotorasib in Advanced Solid Tumors. N Engl J Med. 2020;383(13):1207-1217.
2. Hofmann MH, Gmachl M, Ramharter J, et al. BI-3406, a Potent and Selective SOS1-KRAS Interaction Inhibitor, Is Effective in KRAS-Driven Cancers through Combined MEK Inhibition. Cancer Discov. 2021;11(1):142-157.
3. Kessler D, Gerlach D, Kraut N, McConnell DB. Targeting Son of Sevenless 1: The pacemaker of KRAS [published online ahead of print, 2021 Apr 10]. Curr Opin Chem Biol. 2021;62:109-118.
4. Rozakis-Adcock M, van der Geer P, Mbamalu G, Pawson T. MAP kinase phosphorylation of mSos1 promotes dissociation of mSos1- Shc and mSos1-EGF receptor complexes. Oncogene 1995;11:1417–26.
5. Corbalan-Garcia S, Yang SS, Degenhardt KR, Bar-Sagi D. Identification of the mitogen-activated protein kinase phosphorylation sites on human SOS1 that regulate interaction with Grb2. Mol Cell Biol 1996;16:5674–82.
6. Long GV, Fung C, Menzies AM, et al. Increased MAPK reactivation in early resistance to dabrafenib/trametinib combination therapy of BRAF-mutant metastatic melanoma. Nat Commun. 2014;5:5694. Published 2014 Dec 2.
7. Mechanisms of KRAS Inhibitor Resistance Revealed [published online ahead of print, 2021 Apr 14]. Cancer Discov. 2021;10.1158/2159-8290.CD-NB2021-0335.
8. Baltanas FC, Perez-Andres M, Ginel-Picardo A, Diaz D, Jimeno D, Liceras-Boillos P, et al. Functional redundancy of Sos1 and Sos2 for lymphopoiesis and organismal homeostasis and survival. Mol Cell Biol 2013;33:4562-78.
9. Baltanas FC, Perez-Andres M, Ginel-Picardo A, Diaz D, Jimeno D, Liceras-Boillos P, et al. Functional redundancy of Sos1 and Sos2 for lymphopoiesis and organismal homeostasis and survival. Mol Cell Biol 2013;33:4562–78.
10. BOEHRINGER INGELHEIM AND MIRATI THERAPEUTICS ANNOUNCE CLINICAL COLLABORATION TO STUDY BI 1701963, A SOS1::PAN-KRAS INHIBITOR IN COMBINATION WITH MRTX849, A KRAS G12C SELECTIVE INHIBITOR. Accessed from: https://www.boehringer-ingelheim.us/press-release/boehringer-ingelheim-and-mirati-therapeutics-announce-clinical-collaboration-study-bi
責任編輯丨BioTalker