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Two Drugs Work Together to Block ‘Master Regulator’ of Breast, Other Cancers
September 4, 2018, by NCI Staff
A two-drug combination commonly used to treat a type of leukemia blocks an enzyme that has a central role in breast and many other cancers, a new study has found.
The drug combination, arsenic trioxide (Trisenox) and tretinoin (also known as retinoic acid), has essentially turned acute promyelocytic leukemia (APL) from a fatal disease into a curable one. But the mechanism by which it kills cancer cells has been a mystery.
In an earlier study, Kun Ping Lu, M.D., Ph.D., and Xiao Zhen Zhou, M.D., of Beth Israel Deaconess Medical Center, in Boston, and their colleagues found that retinoic acid inhibits the key enzyme, Pin1. Now, they've found that arsenic also blocks Pin1, and the combination of the two drugs inhibits the enzyme more effectively than either drug alone.
Pin1 is considered a cancer master regulator—a protein that regulates entire cellular networks that are critical to cancer progression. Some scientists consider master regulators ideal drug targets.
The findings are “an interesting launching pad for further investigation,” said Joanna Watson, Ph.D., of NCI’s Division of Cancer Biology, which helped fund the study.
The combination treatment slowed the growth of several different laboratory models of breast cancer, the researchers reported. Their findings, published August 9 in Nature Communications, provide the rationale to test the drug combination in a clinical trial of women with breast cancer, said Dr. Lu.
Pin1: An Ideal Drug Target
Pin1 switches the shape of the amino acid proline within proteins. This conformation change can activate 40 proteins that promote tumor growth and inactivate more than 20 proteins that suppress tumor growth.
Pin1 is overactive in many different types of cancer, including breast, lung, prostate, and colon cancer. It is also found at higher than normal levels in breast cancer stem cells—specialized cancer cells that are thought to be responsible for tumor initiation, growth, metastasis, and drug resistance.
On the other hand, mice that lack Pin1 are protected from developing cancer even in the presence of cancer-causing mutations in other genes.
Because arsenic is often combined with retinoic acid to treat APL, the researchers wanted to know if arsenic also targets Pin1. But rather than studying APL, they focused on triple-negative breast cancer because this aggressive disease has a poor prognosis and is not effectively treated with targeted therapies.
Arsenic and Retinoic Acid Work Together
First, the researchers found that arsenic inhibited Pin1 activity, which in turn slowed the growth of triple-negative breast cancer cells. They then showed that arsenic needed to bind to Pin1 to impede breast cancer cell growth. Interacting with arsenic makes Pin1 unstable, explained Dr. Lu, and as a result, the protein is destroyed.
Arsenic also lowered Pin1 levels and slowed the growth of breast cancer xenograft tumors in mice.
Next, the researchers examined the effects of combining arsenic and retinoic acid in cell and mouse models of triple-negative breast cancer.
Treating cells or mice with arsenic or retinoic acid alone lowered Pin1 levels and slowed cell growth. But the combination of the two drugs had an even greater effect. The combination also prevented Pin1 from altering the levels of certain proteins that control cancer growth, producing effects that are similar to those of inactivating the Pin1 gene in breast cancer cells.
The combination showed synergy, meaning that the resulting effect “is above and beyond what you would expect by just adding the two [drugs] together,” explained Dr. Watson.
Synergy may reflect the fact that, in APL cells, retinoic acid treatment raises the level of a transporter that brings arsenic inside of cells. Levels of the transporter also increased when Dr. Lu and his colleagues treated triple-negative breast cancer cells with retinoic acid. By contrast, arsenic and retinoic acid did not act synergistically in triple-negative breast cancer cells engineered to lack this transporter.
These results suggest that, in addition to inhibiting Pin1 directly, retinoic acid increases the amount of arsenic in cells by boosting the level of this transporter, Dr. Lu explained. The arsenic then further inhibits Pin1.
He added, this also implies that when used in combination with retinoic acid, a lower concentration of arsenic could achieve the desired effect—potentially reducing the side effects of arsenic, which is extremely toxic at high doses.
Targeting Breast Cancer Stem Cells
Developing drugs that effectively target cancer stem cells has proven to be a challenge, and cancer stem cells that remain after treatment are thought to be a cause of cancer relapse and metastasis.
Dr. Lu’s team found that, to a greater extent than either drug alone, the combination of arsenic and retinoic acid eliminated triple-negative breast cancer stem cells. The effects of the combination treatment were similar to those of inactivating the Pin1 gene in breast cancer cells, they found.
The researchers also found that the combination of arsenic and retinoic acid eliminated cancer stem cells that were resistant to chemotherapy, and it eliminated cancer stem cells in mouse models of triple negative breast cancer.
New Insights and Potential New Therapy
It had long been thought that arsenic’s main target was a fusion protein that is found only in APL, and there were doubts that the drug would be effective against other types of cancer, despite some evidence of activity. In their earlier study, Drs. Lu and Zhou and their colleagues found that retinoic acid targets this fusion protein by inhibiting Pin1.
“Identifying Pin1 as the major target of arsenic will hopefully stimulate clinical trials for other [types of] cancer,” Dr. Lu said.
The researchers hope to develop a clinical trial to combine arsenic with the standard therapy for women with triple-negative breast cancer. And because their findings show that arsenic’s activity depends on the expression of Pin1 and its transporter, Dr. Lu said they want to select patients whose cancers express both proteins.
As for retinoic acid, it is normally broken down quickly inside the human body. To enhance its ability to reach solid tumors, the team is interested in developing a more stable form of retinoic acid. If such a form can be created, it could potentially be combined with arsenic in clinical trials, Dr. Lu said.
Another advantage of having learned one mechanism of arsenic’s anticancer activity, said Dr. Watson, is being able to develop new drugs that potentially target Pin1 more efficiently and with fewer side effects than arsenic itself. The research team is also working to develop a targeted drug that blocks Pin1 activity.
Dr. Lu noted that because Pin1 controls multiple pathways that contribute to cancer development, cancer cells might be less able to develop resistance to drugs that block Pin1's activity—something that often occurs with targeted therapies that attack a single pathway.
두 약물의 병용으로 유방암과 다른 암의 '마스터 레귤레이터'를 차단한다.
2018년 9월 4일 ; 국립암연구소 제공
백혈병의 한 종류를 치료하는데 흔히 사용되는 두 가지 약의 조합은 유방암과 많은 다른 암들에서 중심적인 역할을 하는 효소를 차단한다.
삼산화비소와 트레티노인(레티노산이라고도 함)의 약물 조합은 기본적으로 급성 전골수구 백혈병(APL)을 하나의 치료 가능한 질병으로 바꾸어 놓았다. 그러나 암세포를 죽이는 메커니즘은 미스터리였다.
앞서 수행한 연구에서 보스턴에 있는 베스 이스라엘 디콘네스 메디컬 센터의 쿤 핑 루, 박사, 그리고 샤오젠 조우 박사와 그들의 동료들은 그 레티노산이 Pin1이라는 핵심 효소를 억제한다는 것을 발견했다. 이제, 그들은 비소도 Pin1을 차단하고, 그리고 두 가지 약물의 조합은 두 가지 약물들 중 어느 하나보다 효소를 더 효과적으로 억제한다는 것을 발견했다.
핀1은 암의 진행에 중요한 전체 세포의 네트워크를 조절하는 단백질로서, 암의 마스터 레귤레이터로 간주된다. 일부 과학자들은 마스터 레귤레이터를 이상적인 약물의 표적이라고 생각한다.
연구 자금을 지원한 국립암연구소의 암 생물학과의 조안나 왓슨 박사는 이번 연구 결과가 "추가 조사를 위한 흥미로운 출발점"이라고 말했다.
이 병용(조합) 치료(법)는 유방암의 몇몇 실험용 모델의 성장을 늦추었다고 연구원들은 발표했다. 8월 9일 네이쳐 커뮤니케이션에 발표된 그들의 연구 결과는 유방암을 가진 여성들을 대상으로 한 임상 실험에서 이 약물 조합을 테스트하는 근거를 제공한다고 루 박사는 말했다.
Pin1 : 이상적인 약물의 표적
핀1은 단백질 내에서 아미노산 프롤린의 모양을 바꾼다. 이 형태의 변경은 종양 성장을 촉진하는 40개의 단백질을 활성화할 수 있고 또한 종양 성장을 억제하는 20개 이상의 단백질을 비 활성화할 수 있다.
핀1은 유방암, 폐암, 전립선암, 대장암을 포함한 많은 다른 종류의 암에서 과다하게 활동한다. 그것은 또한 유방암 줄기세포에서 정상 수준보다 더 높게 발견되는데, 이것은 종양의 시작, 성장, 전이, 그리고 약물 내성을 담당하는 것으로 여겨지는 전문 암 세포이다.
반면에, Pin1이 부족한 쥐는 다른 유전자에 암을 유발하는 돌연변이가 있어도 암의 발병으로부터 보호된다.
비소가 종종 APL을 치료하기 위해 레티노산과 결합되기 때문에, 연구원들은 비소가 또한 핀1을 표적으로 삼는지 알고 싶어 했다. 그러나 APL(급성 전골수구 백혈병)을 연구하는 대신, 연구자들은 이 공격적인 질병은 예후가 좋지 않고 표적요법으로도 효과적으로 치료되지 않기 때문에, 3중 음성 유방암(ER, PR 및 HER2neu가 없는)에 집중했다.
비소 및 레티노산의 결합.
먼저, 연구자들은 비소가 핀1 활동을 억제한다는 것과, 이로 인해 3중 음성 유방암 세포의 성장이 느려졌음을 알아냈다. 그리고 비소가 유방암 세포의 성장을 방해하기 위해 핀1과 결합할 필요가 있다는 것을 보여주었다. 비소와의 상호작용은 핀1을 불안정하게 만들고 결과적으로 단백질이 파괴된다고 루 박사는 설명했다.
비소는 또한 Pin1 수치를 낮추고 쥐의 유방암 이종 이식 종양의 성장을 늦추었다.
다음으로, 연구원들은 비소와 레티노산을 3중 음성 유방암의 세포와 마우스 모델에서 결합하는 효과를 연구했다
비소나 레티노산 만으로 세포나 쥐를 치료하면 핀1 수치를 낮추고 세포 성장을 둔화시켰다. 하지만 이 두 약을 결합하면 훨씬 더 큰 효과를 가져왔다. 이 결합은 또한 핀1이 암 성장을 조절하는 특정 단백질의 수치를 바꾸는 것을 막아서, 유방암 세포에서 핀1 유전자를 비 활성화시키는 것과 유사한 효과를 만들어냈다.
그 조합은 시너지를 보여주었는데, 그 결과는 "두 약물을 결합하면 기대 이상의 효과를 얻을 수 있다"고 왓슨 박사는 설명했다.
시너지는 APL(급성 전골수구 백혈병) 세포에서 레티노산 치료가 세포 내부로 비소를 가져다주는 전달체 수치가 높인다는 사실을 반영할 수 있다. 또한 루 박사와 그의 동료들이 레티노산으로 삼중 음성 유방암 세포를 치료했을 때 트랜스포터의 수치가 증가했다. 대조적으로, 비소와 레티노산은 이 전달체가 부족하도록 설계된 삼중 음성 유방암 세포에서 시너지 효과를 발휘하지 않았다.
이러한 결과는, 핀1을 직접적으로 억제하는 것 외에도, 레티노산은 이 전달체의 수준을 높임으로써 세포의 비소 양을 증가시킨다고 루 박사는 설명했다. 비소는 핀1을 더 억제한다.
그는 또한, 이것은 레티노산과 함께 사용할 때, 낮은 비소 농도는 원하는 효과를 달성할 수 있다는 것을 암시한다. 즉, 높은 용량에서 매우 독성이 있는 비소의 부작용을 잠재적으로 감소시킬 수 있다.
유방암 줄기세포를 표적으로 삼기
암의 줄기세포를 효과적으로 겨냥하는 약품을 개발하는 것은 어려운 일로 판명되었고, 치료 후에도 남아 있는 암의 줄기세포는 암 재발과 전이의 원인으로 여겨진다.
루 박사팀은 비소와 레티노산의 조합이 한 가지 약을 사용할 때보다 3중 음성 유방암 줄기세포를 훨씬 더 잘 제거했다는 것을 발견했다. 이 결합 치료의 효과는 유방암 세포에서 핀1 유전자를 활성화시키지 않은 것과 유사하다는 것을 발견했다.
연구자들은 또한 비소와 레티노산의 결합이 화학요법에 내성이 있는 암 줄기 세포를 제거했고, 그것은 3중 음성 유방암의 쥐 모델에서 암 줄기 세포를 제거했다는 것을 발견했다.
새로운 통찰을 통한 신 치료법의 가능성
비소의 주표적은 APL에서만 발견되는 퓨전 단백질이라고 오랫동안 여겨져 왔고, 일부 활동 증거에도 불구하고 이 약이 다른 종류의 암에 효과적일 것이라는 점에는 의문이 있었다. 이전의 연구에서 루 박사와 조우 박사와 그들의 동료들은 레티노산이 핀1을 억제함으로써 이 퓨전 단백질을 표적으로 겨냥한다는 것을 발견했다.
"핀1을 비소의 주 표적으로 식별하는 것은 다른 종류의 암에 대한 임상실험을 자극하기를 희망한다,"고 루 박사가 말했습니다.
연구자들은 3중 음성의 유방암을 가진 여성들을 위한 표준 치료법을 비소와 결합하는 임상 실험을 개발하기 희망 한다. 그리고 그들의 연구결과는 비소의 활동이 핀1과 그것의 전달체의 발현에 달려있다는 것을 보여주기 때문에, 루 박사는 암이 두 가지 단백질을 모두 발현하는 환자를 선택하고 싶다고 루 박사가 말했다.
레티노산은 보통 인체 내에서 빠르게 분해된다. 고형암에 도달하는 능력을 높이기 위해, 연구팀은 보다 안정적인 레티노산 개발에 관심을 갖고 있다. 그러한 형태가 만들어질 수 있다면 임상 시험에서 비소와 결합될 가능성이 있다고 루 박사는 말했다.
왓슨 박사는 비소의 항암 작용의 한 가지 메커니즘을 알았다는 또 다른 이점은 비소 자체보다 더 적은 부작용으로 잠재적으로 핀1을 표적으로 하는 신약을 더 효율적으로 개발할 수 있다는 것이라고 말했다. 연구팀은 또한 핀1 활동을 차단하는 표적항암제를 개발하기 위해 노력하고 있다.
루 박사는, 핀1이 암 발병에 기여하는 여러 경로를 통제하기 때문에 암세포는 단일 경로만을 공격하는 표적요법에 자주 생기는 핀1의 작용을 차단하는 약물에 대한 내성을 덜 가질 수 있다고 언급했다.