KRAS 抑制劑的突破與挑戰

KRAS 是一個在細胞膜上的蛋白質，負責接收上游 EGFR 等酪胺酸激酶受體（receptor tyrosine kinase, RTK）的訊號，並將其傳向下游並促進細胞生長，也因此這條 RTK–KRAS–MAPK 路徑上的基因若發生突變，可能造成細胞不正常增生（圖一）。根據 TCGA 資料庫，KRAS 的突變約可在 25% 的癌症中發現，其中又以非小細胞肺癌（non-small cell lung carcinoma, NSCLC）、 胰管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC）和大腸直腸癌（colorectal cancer, CRC）為大宗，也因此研究者和藥廠一直對他抱持著興趣。在這條路徑上雖已有藥物能抑制 RTK、Raf、MEK 等，但遲遲未找到藥物抑制 KRAS。

KRAS 蛋白屬於 RAS 家族，這個家族還包含了 HRAS 和 NRAS。 KRAS 會與 GDP 或 GTP 結合，GDP-KRAS 透過 GEF 的幫助，轉變成有活性的 GTP-KRAS，而 GTP-KRAS 透過 GTPase activating protein (GAP) 的幫助，將 GTP 水解成 GDP（圖一）。許多 KRAS 突變會阻礙 GAP，使 KRAS 卡在活化態，進而使細胞快速增生、癌化。科學家一直試圖找到抑制 KRAS的方法，但因為 KRAS 和 GTP 的親和力相當高（Kd 值在 pM 級），且細胞中有大量 GTP，要作一個競爭性抑制劑（competitive inhibitor） 來抑制 KRAS 絕非易事。此外，其蛋白質表面平坦，沒有什麼可乘之機。

直到 2013 年，科學家終於打破僵局。UCSF 的 Shokat 實驗室發現，KRAS 的突變雖然會將 KRAS 卡在活化態，但 KRAS 本身仍有微弱的 GTP 水解能力，因此突變的 KRAS 仍會在活化與非活化狀態間循環 ( 圖二 )。這就讓藥物有了額外的施力點：透過抑制非活化的 KRAS 或 GEF 來抑制 KRAS 蛋白。此外，他們也在非活化的 GDP-KRAS 上發現能供藥物進入的溝槽，稱作 Switch II pocket。這樣一來，藥物本身不必和 GTP 競爭，也能透過異位調控（allosteric）來抑制 KRAS。加上 KRAS G12C 突變剛好處在活性位附近，cysteine 又提供一個良好的 S-H 基，可供共價結合。在天時地利下 KRAS G12C 抑制劑的原型橫空出世。這個抑制劑會進入Switch II pocket，並和 cysteine 共價結合，使 KRAS 卡在不活化狀態 [1]。

此發現更促成了兩個 KRAS G12C 抑制劑於 2019年進入臨床試驗，分別是 AMGEN 的 sotorasib ( AMG 510 ) 和 MIRATI 的 adagrasib ( MRTX849 ) [2, 3]。其中sotorasib更在2021年五月底獲得美國FDA通過成為第一個治療KRAS 突變的癌症標靶藥物 [4]。緊跟其上，同年六月底，adagrasib 也因為其臨床一二期試驗的結果獲得 FDA 突破性療法認定（breakthrough therapy designation）[5]。

然而癌症也不是省油的燈。2020 年就有研究指出帶有 KRAS G12C 突變的肺腺癌細胞在接受抑制劑後，有少部分的癌細胞會重新開始生長。這些細胞能生產新的 KRAS 分子，從而維持其活性 [6]。此外，癌細胞也可能透過活化 RTK–KRAS–MAPK 路徑上的其他分子來獲得抗藥性，例如 HER2、FGFR 等 RTK 或其他傳訊分子如 MYC 和 MTOR 等。細胞和動物實驗發現以不同的抑制劑雙管齊下效果會更好，現已有許多臨床試驗在測試不同藥物的組合 [7, 8]。

目前其他藥廠也在摩拳擦掌研究相關藥物如 KRAS 其他突變的抑制劑、SOS1 抑制劑（或稱 pan-KRAS 抑制劑）、辨認 KRAS 突變的 T細胞受器 ( T cell receptor ) 等，讓我們又多了許多打擊癌症的武器。雖然癌細胞總是有各種方法躲過藥物的追殺，透過研究其抗藥性機制，我們也離精準化醫療越來越近。

參考文獻：

1. Ostrem, J. M., Peters, U., Sos, M. L., Wells, J. A., & Shokat, K. M. (2013). K-ras(g12c) inhibitors allosterically control GTP affinity and effector interactions. Nature, 503(7477), 548-551. https://doi.org/10.1038/nature12796
2. Hallin, J., Engstrom, L. D., Hargis, L., Calinisan, A., Aranda, R., Briere, D. M., Sudhakar, N., Bowcut, V., Baer, B. R., Ballard, J. A., Burkard, M. R., Fell, J. B., Fischer, J. P., Vigers, G. P., Xue, Y., Gatto, S., Fernandez-Banet, J., Pavlicek, A., Velastagui, K., … Christensen, J. G. (2019). The KRASG12C inhibitor MRTX849 provides insight toward therapeutic susceptibility of KRAS-mutant cancers in mouse models and patients. Cancer Discovery, 10(1), 54-71. https://doi.org/10.1158/2159-8290.cd-19-1167
3. Canon, J., Rex, K., Saiki, A. Y., Mohr, C., Cooke, K., Bagal, D., Gaida, K., Holt, T., Knutson, C. G., Koppada, N., Lanman, B. A., Werner, J., Rapaport, A. S., San Miguel, T., Ortiz, R., Osgood, T., Sun, J., Zhu, X., McCarter, J. D., … Lipford, J. R. (2019). The clinical KRAS(G12C) inhibitor AMG 510 drives anti-tumour immunity. Nature, 575(7781), 217-223. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1694-1
4. Sotorasib is first KRAS inhibitor approved by FDA. (2021). National Cancer Institute. https://www.cancer.gov/news-events/cancer-currents-blog/2021/fda-sotorasib-lung-cancer-kras
5. Mirati therapeutics’ Adagrasib receives breakthrough therapy designation from U.S. Food and Drug Administration for patients with advanced non-small cell lung cancer harboring the KRAS G12C mutation. (2021). Mirati Therapeutics Inc. – Investor & Media Relations. Link.
6. Xue, J. Y., Zhao, Y., Aronowitz, J., Mai, T. T., Vides, A., Qeriqi, B., Kim, D., Li, C., De Stanchina, E., Mazutis, L., Risso, D., & Lito, P. (2020). Rapid non-uniform adaptation to conformation-specific KRAS(G12C) inhibition. Nature, 577(7790), 421-425. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1884-x
7. Akhave, N. S., Biter, A. B., & Hong, D. S. (2021). Mechanisms of resistance to KRASG12C-targeted therapy. Cancer Discovery, 11(6), 1345-1352. https://doi.org/10.1158/2159-8290.cd-20-1616
8. Awad, M. M., Liu, S., Rybkin, I. I., Arbour, K. C., Dilly, J., Zhu, V. W., … & Aguirre, A. J. (2021). Acquired resistance to KRASG12C inhibition in cancer. New England Journal of Medicine, 384(25), 2382-2393. https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2105281 

 

撰文｜紀威佑
審稿｜蕭皓文