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合成致死:從概念驗(yàn)證到PARP抑制劑的上市

溫馨提示,吸收專業(yè)知識(shí)前,可以先看看科普文章了解背景知識(shí):從粉紅絲帶到BRCA基因突變---它離我們很遠(yuǎn)而又很近,請(qǐng)了解它,然后關(guān)愛女性健康

1

WHAT? 合成致死


目前,惡性腫瘤的靶向治療通常是針對(duì) “癌基因成癮”。其中最典型的例子是,約90%的慢性粒細(xì)胞白血?。–ML)患者均存在BCR/ABL融合基因,而腫瘤細(xì)胞正是依賴這個(gè)基因產(chǎn)生的蛋白生存,對(duì)于正常細(xì)胞,它們并不依賴于該基因。因此,靶向BCR/ABL的imatinib能夠顯著延長(zhǎng)CML患者的生存期,同時(shí)對(duì)正常細(xì)胞的毒性較小。

名詞解釋   “癌基因成癮”,是指腫瘤細(xì)胞依賴于某個(gè)活化的癌基因生存


另一種腫瘤的治療概念是合成致死,是期望達(dá)到只殺傷腫瘤細(xì)胞,而對(duì)正常細(xì)胞無(wú)明顯影響的目的。這個(gè)概念已被成功用于PARP抑制劑治療BRCA 1/2突變的卵巢癌。

名詞解釋  “合成致死”,是指當(dāng)基因A的功能缺失時(shí),細(xì)胞依賴基因B生存,即抑制基因B同時(shí)基因A功能缺失導(dǎo)致細(xì)胞死亡,但僅在基因A功能缺失或單獨(dú)抑制基因B的情況下均不影響細(xì)胞生存。


癌基因成癮與合成致死


2

DDR中的合成致死:家族遺傳性BRCA突變與PARP抑制劑


各種內(nèi)源、外源性因素都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞DNA損傷,細(xì)胞通過(guò)一系列的分子途徑:DNA損傷應(yīng)答(DDR)識(shí)別DNA損傷 >>> 阻止細(xì)胞周期 >>> 介導(dǎo)DNA修復(fù) >>> 保持細(xì)胞基因組的完整以及穩(wěn)定。其中聚(ADP-核糖)聚合酶(簡(jiǎn)稱PARP,主要是PARP1和PARP2)是DDR中的關(guān)鍵蛋白之一。PARP1能夠識(shí)別DNA單鏈斷裂(SSB),當(dāng)它結(jié)合在單鏈斷裂位點(diǎn)時(shí),會(huì)激活其催化功能,合成多聚ADP核糖鏈(PAR)并組裝在一些蛋白上(PARylation),從而募集DNA損傷修復(fù)蛋白到損傷位點(diǎn)修復(fù)損傷的DNA。最終,PARP自身也會(huì)組裝上PAR,使其從修復(fù)完成的DNA上解離。


在了解了PARP的功能之后,PARP抑制劑被逐漸開發(fā)出來(lái)??茖W(xué)家們起初開發(fā)PARP抑制劑是希望它們能夠增敏傳統(tǒng)的DNA損傷療法,包括多種化療藥物以及放療,這是PARP抑制劑另一種合成致死方式,稱為“PARP trapping”,后文將做詳細(xì)介紹。直到2005年,兩個(gè)課題組同時(shí)報(bào)道了PARP抑制劑和BRCA1/2功能缺失突變的合成致死,展現(xiàn)了一種對(duì)攜帶BRCA突變腫瘤全新的治療概念。


PARP與DNA受損部位結(jié)合


攜帶家族遺傳性BRCA1或BRCA2突變的人群發(fā)生惡性腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)顯著提高,特別是乳腺癌和卵巢癌。BRCA1和BRCA2均是DNA雙鏈斷裂(DSB)同源重組修復(fù)(HRR)的關(guān)鍵蛋白,對(duì)于家族遺傳性乳腺癌患者,通常是因?yàn)檫z傳了BRCA1或BRCA2基因中一個(gè)同源染色體上的功能缺失型突變(雜合突變,BRCA+/-),在生命過(guò)程中,一些細(xì)胞會(huì)丟失另外一個(gè)同源染色體上的BRCA1或BRCA2的功能,成為純合突變(BRCA-/-),BRCA功能的喪失導(dǎo)致HRR功能缺失,DNA雙鏈斷裂修復(fù)受阻,引起基因組不穩(wěn)定,從而引發(fā)腫瘤。但其它BRCA雜合突變(BRCA+/-)的細(xì)胞仍能正常產(chǎn)生BRCA蛋白,參與DNA雙鏈斷裂修復(fù)。


腫瘤細(xì)胞中每天會(huì)產(chǎn)生約104個(gè)SSB,這些損傷需要PARP介導(dǎo)的修復(fù)過(guò)程修復(fù),當(dāng)PARP活性受到抑制時(shí),SSB持續(xù)累積,在DNA復(fù)制的過(guò)程中,DNA單鏈斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)镈NA雙鏈斷裂,而復(fù)制過(guò)程中產(chǎn)生的DSB主要依賴于HR修復(fù)。對(duì)于BRCA1/2突變的腫瘤患者,腫瘤細(xì)胞HRR功能缺失,DSB修復(fù)無(wú)法完成,而大量的DSB累積造成DNA復(fù)制崩潰,細(xì)胞死亡。相比于BRCA功能完善的腫瘤細(xì)胞,BRCA功能缺失的腫瘤細(xì)胞對(duì)PARP抑制劑的敏感性是前者的約1000倍。對(duì)于這些患者的正常細(xì)胞,由于只攜帶了雜合BRCA突變,可以產(chǎn)生功能正常的BRCA蛋白,因此,PARP抑制劑對(duì)它們影響較小。這是科學(xué)家們對(duì)PARP抑制劑合成致死的最初認(rèn)識(shí)。


在后續(xù)的研究中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn), Talazoparib和Olaparib在PARP催化活性上的抑制率相當(dāng),但Talazoparib對(duì)BRCA突變的腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞毒顯著高于Olaparib。另外,在BRCA功能正常的細(xì)胞株中,聯(lián)合使用無(wú)細(xì)胞毒的DNA損傷劑甲磺酸甲酯(MMS)和PARP抑制劑,也產(chǎn)生合成致死。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),PARP抑制劑不僅能夠抑制PARP的催化活性,還能夠穩(wěn)定PARP蛋白和DNA的復(fù)合物,稱為“PARP trapping”。當(dāng)產(chǎn)生DNA單鏈斷裂時(shí),PARP蛋白會(huì)結(jié)合在斷裂位點(diǎn),這時(shí)PARP抑制劑和PARP結(jié)合,使PARP的催化功能喪失,影響了PARP自身的PARylation,導(dǎo)致PARP蛋白無(wú)法從DNA上解離。這里,PARP像一把掛在DNA上的鎖,而PARP抑制劑像一把斷在鎖芯中的鑰匙,它牢固的結(jié)合在鎖芯中,卻無(wú)法開鎖,同時(shí)也阻止其他鑰匙開鎖。因此,PARP抑制劑使PARP和DNA形成穩(wěn)定的復(fù)合物,而PARP-DNA復(fù)合物具有強(qiáng)烈的細(xì)胞毒性,最終引起細(xì)胞死亡。前面提到,MMS是一種DNA損傷試劑,能夠增加DNA單鏈斷裂數(shù)目,這樣PARP抑制劑可以造成更多的“PARP trapping”,因此對(duì)BRCA功能正常的細(xì)胞也有合成致死效應(yīng)。雖然Talazoparib、Niraparib、Olaparib和Niraparib對(duì)PARP催化抑制活性相當(dāng),但“PARP trapping”的能力有很大差別,Talazoparib的“PARP trapping”能力最強(qiáng),約為Olaparib的100倍,其次是Niraparib,而Veliparib最弱。這也部分解釋了PARP抑制活性相當(dāng)?shù)腜ARP抑制劑對(duì)BRCA突變的腫瘤細(xì)胞具有不同的細(xì)胞毒的原因。

PARP抑制劑的作用機(jī)理



3

PARP抑制劑的臨床現(xiàn)狀


 PARP的主要功能是催化PAR的合成,使多種DNA修復(fù)蛋白PARylation,參與DNA修復(fù),它的底物的輔酶I(NAD+),經(jīng)典的PARP抑制劑是結(jié)合在PARP的底物結(jié)合域,因此PARP抑制劑都是其底物類似物。幾乎所有的PARP抑制劑都有芳酰胺部分,來(lái)模擬NAD+中的煙酰胺,從而競(jìng)爭(zhēng)性的阻斷PARP的催化活性。PARP抑制劑最初進(jìn)入臨床試驗(yàn)是和化療藥物temozolimide構(gòu)成的聯(lián)合療法,隨著PARP抑制劑和BRCA突變腫瘤合成致死的研究被報(bào)道之后,PARP抑制劑在臨床上被用于治療BRCA1/2突變的乳腺癌和卵巢癌患者。目前,已經(jīng)有3個(gè)PARP抑制劑被FDA批準(zhǔn)上市,數(shù)十種PARP抑制劑在各階段臨床試驗(yàn),下面分別予以介紹。


PARP抑制劑


Olaparib

Olaparib是AstraZeneca公司開發(fā)的PARP抑制劑,2014年12月19日,F(xiàn)DA批準(zhǔn)其用于治療既往接受過(guò)兩次以上治療且攜帶種系BRCA突變的晚期卵巢癌患者,這是第一種利用合成致死概念獲得FDA批準(zhǔn)的抗腫瘤藥物。2015年,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了研究DNA損傷修復(fù)的科學(xué)家,也是對(duì)這一治療概念的肯定。臨床研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于能夠從鉑類化療藥物中獲益的BRCA突變的卵巢癌患者,Olaparib對(duì)他們同樣有效,而對(duì)鉑不敏感的卵巢癌患者對(duì)Olaparib通常無(wú)響應(yīng),說(shuō)明兩種療法可能基于同樣的機(jī)理。在近期的一項(xiàng)大型III期臨床試驗(yàn)中,攜帶種系BRCA突變且對(duì)鉑類化療藥物敏感的復(fù)發(fā)性卵巢癌接受Olaparib治療(300 mg片劑,每日2次)的患者,中位無(wú)進(jìn)展生存期高達(dá)30.2個(gè)月,而安慰劑組僅為5.5個(gè)月,常見的副作用是頭暈、乏力、嘔吐、貧血中性粒細(xì)胞減少以及血小板減少等,與之前報(bào)道的副作用較為一致,這說(shuō)明了Olaparib作為維持療法治療攜帶BRCA突變的復(fù)發(fā)性卵巢癌的潛力。目前,Olaparib有多個(gè)針對(duì)不同腫瘤的臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行。

Olaparib


Rucaparib

Clovis公司的PARP抑制劑Rucaparib是最早推向臨床試驗(yàn)的PARP抑制劑。2016年12月19日,Rucaparib被FDA批準(zhǔn)用于治療攜帶種系或體細(xì)胞BRCA基因突變且至少接受過(guò)兩種治療方案的晚期卵巢癌,該上市批準(zhǔn)依據(jù)的是一項(xiàng)106名患者的III期臨床試驗(yàn),患者接受600毫克每天的口服治療,客觀緩解率(ORR)為54%,完全緩解(CR)9%,中位持續(xù)緩解時(shí)間為9.2個(gè)月。這些卵巢癌患者對(duì)鉑類化療藥物的敏感性和對(duì)Rucaparib的敏感性高度一致,鉑類敏感患者ORR為66%,鉑類抵抗患者為25%,鉑類難治性患者為0%。常見的副作用是惡心、疲勞、貧血等。但Rucaparib可能存在潛在的治療風(fēng)險(xiǎn),包括骨髓增生異常綜合征、急性髓細(xì)胞白血病以及胎兒異常。在之前的研究中發(fā)現(xiàn),相比于Olaparib和Talazoparib,高濃度的Rucaparib會(huì)產(chǎn)生脫靶的細(xì)胞毒效應(yīng),但是目前并不清楚這些脫靶效應(yīng)是否是引起其毒副作用的主要原因。

Rucaparib


Niraparib

Tesaro公司的PARP抑制劑Niraparib針對(duì)鉑敏感的晚期卵巢癌III期臨床試驗(yàn)已經(jīng)完成,于2017年3月27日被FDA批準(zhǔn)上市,用于接受鉑類藥物治療后完全應(yīng)答或部分應(yīng)答但又復(fù)發(fā)的成人卵巢上皮癌、輸卵管癌和原發(fā)性腹膜癌的維持治療,而且無(wú)需檢測(cè)BRCA基因型。在III期臨床試驗(yàn)中,203例既往接受至少2種鉑類為基礎(chǔ)治療且攜帶BRCA突變的患者,接受每日300毫克Niraparib治療的患者,和安慰劑組相比,中位無(wú)進(jìn)展生存期顯著延長(zhǎng)(Niraparib組21.0個(gè)月 vs 安慰劑組5.5個(gè)月)。和Olaparib和Rucaparib不同的是,Niraparib的臨床實(shí)驗(yàn)不僅將BRCA突變的卵巢癌患者納入組中,還選取了350例不攜帶BRCA突變患者,研究發(fā)現(xiàn),這組患者中位無(wú)進(jìn)展生存期為9.3個(gè)月,安慰劑組為3.9個(gè)月,其中不攜帶BRCA突變但存在HRR缺陷的患者,Niraparib組中位無(wú)進(jìn)展生存期為12.9個(gè)月,相比安慰劑組3.8個(gè)月明顯改善。這表明,Niraparib不僅對(duì)BRCA突變的腫瘤具有合成致死效應(yīng),和其他DNA雙鏈修復(fù)缺陷也形成合成致死。常見的3-4級(jí)不良反應(yīng)為血小板減少、貧血以及中性粒細(xì)胞減少。

Niraparib


Talazoparib

Talazoparib的多個(gè)臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中,其中包括針對(duì)攜帶BRCA突變的晚期乳腺癌III期臨床試驗(yàn)。在之前的一項(xiàng)臨床試驗(yàn)中,13名攜帶BRCA1/2突變的乳腺癌患者接受Talazoparib的新輔助治療,兩個(gè)月后,所有患者的腫瘤均縮小,目前這一療法正在進(jìn)行4-6個(gè)月新輔助治療的臨床試驗(yàn)。在臨床前研究中發(fā)現(xiàn),Talazoparib具有卓越的PARP trapping能力,其對(duì)BRCA突變腫瘤細(xì)胞的毒性是Niraparib的100倍。因此在臨床試驗(yàn)中,Talazoparib的臨床劑量非常低,僅每日1 mg。

Talazoparib的結(jié)構(gòu)式,正在多項(xiàng)臨床測(cè)試中


Iniparib

Iniparib曾經(jīng)被認(rèn)為是PARP抑制劑,并且和傳統(tǒng)PARP抑制劑作用機(jī)理不同。在II期臨床試驗(yàn)中Iniparib與吉西他濱及卡鉑聯(lián)合使用治療三陰性乳腺癌取得了令人矚目的效果,能夠增加無(wú)進(jìn)展生存期和總生存期,且不增加毒性。然而,非小細(xì)胞肺癌和鉑耐藥卵巢癌的III期臨床試驗(yàn)均告失敗。而且,該分子不能選擇性的殺傷BRCA突變的腫瘤細(xì)胞。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的研究,最終發(fā)現(xiàn)Iniparib不是真正意義上的PARP抑制劑,它的抗腫瘤活性不是因?yàn)橐种芇ARP引起。Iniparib和Olaparib的幾個(gè)大型III期臨床試驗(yàn)失敗使當(dāng)時(shí)的制藥公司對(duì)PARP抑制劑的熱情減弱,AstraZeneca終止了PARP計(jì)劃,其他的一些大型制藥公司也賤價(jià)出售了它們的PARP產(chǎn)品。之后,AstraZeneca公司從以往的臨床數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn),對(duì)于BRCA突變的腫瘤,PARP抑制劑具有卓越的療效,并重啟了Olaparib治療攜帶BRCA突變卵巢癌的III期臨床試驗(yàn),使人們重新對(duì)這類藥物提起興趣。Iniparib也成為藥物開發(fā)中的典型反例。

Iniparib 后被證實(shí)不是PARP抑制劑



4

展望

PARP抑制劑用于治療BRCA突變的腫瘤成功將合成致死這一治療概念應(yīng)用于腫瘤的治療,但目前PARP抑制劑的應(yīng)用已經(jīng)不局限于BRCA突變的腫瘤,具有HRR功能缺失的腫瘤,PARP抑制劑同樣使患者受益。對(duì)于不攜帶BRCA突變的腫瘤細(xì)胞,其他DNA修復(fù)過(guò)程的基因突變也可能導(dǎo)致細(xì)胞HRR功能缺失,從而對(duì)PARP抑制劑敏感。在一項(xiàng)II期臨床試驗(yàn)中,約30%的去勢(shì)抵抗的轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者對(duì)Olaparib的治療有響應(yīng),而這部分患者的腫瘤中半數(shù)具有BRCA2或ATM(一種DNA雙鏈斷裂修復(fù)響應(yīng)蛋白)功能缺失。另一項(xiàng)Olaparib針對(duì)轉(zhuǎn)移性胰腺癌的II期臨床試驗(yàn)正在招募患者,該臨床試驗(yàn)的要求患者攜帶BRCA、RAD51或ATM突變,這些都是HRR的關(guān)鍵蛋白。另外,一些晚期卵巢癌患者雖然不攜帶DNA修復(fù)的基因突變,但他們的腫瘤中存在BRCA1或RAD51啟動(dòng)子高甲基化現(xiàn)象,這一表觀遺傳學(xué)的改變會(huì)使BRCA1和RAD51基因沉默,同樣造成HRR功能缺失,這部分患者也受益于PARP抑制劑。在一項(xiàng)Rucaparib的II期臨床試驗(yàn)中,BRCA1和RAD51啟動(dòng)子高甲基化的患者被納入治療組,其ORR為48%。因此,PARP抑制劑合成致死的概念有望推廣到其他類型的腫瘤治療中,使更多的腫瘤患者從中獲益。


目前PARP抑制劑仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。第一, PARP抑制劑的適應(yīng)癥的擴(kuò)展。通過(guò)進(jìn)一步的挖掘和分析PARP的抗腫瘤作用機(jī)理,找出更精準(zhǔn)的生物標(biāo)志物實(shí)現(xiàn)個(gè)體精準(zhǔn)化治療,是PARP抑制劑擴(kuò)大適應(yīng)癥的關(guān)鍵;第二,克服腫瘤細(xì)胞對(duì)PARP抑制劑的耐藥性。這一點(diǎn)上,需要研究PARP抑制劑產(chǎn)生耐藥的具體分子機(jī)制,例如BRCA基因的次級(jí)突變使HRR功能恢復(fù),或PARP基因突變導(dǎo)致PARP抑制劑和PARP蛋白的作用力下降等。針對(duì)這些問題,發(fā)現(xiàn)臨床手段來(lái)延緩或阻止耐藥性的產(chǎn)生;第三,優(yōu)化PARP抑制劑和其他藥物的聯(lián)合療法。PARP抑制劑最早設(shè)計(jì)出來(lái)是用來(lái)組合化療藥物來(lái)增加療效。然而,通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這些組合存在各種問題,結(jié)果也大多令人失望。由于毒性過(guò)大、聯(lián)合用藥療效沒有顯著提高等因素,許多PARP抑制劑和化療藥物的組合療法在III期臨床試驗(yàn)都失敗了。獲得成功的組合療法,需要深入研究藥物組合產(chǎn)生協(xié)同抗腫瘤的作用機(jī)理,從而合理設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)新的PARP抑制劑的聯(lián)合療法。相信在不久的將來(lái),PARP抑制劑可以惠及更多的腫瘤患者,使他們生命延長(zhǎng),生活質(zhì)量更好。



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