췌장암에서 교묘한 표적을 공격하는 잠재적 방법 발견

2019년 4월 4일 : 국립암연구소 제공

KRAS(K-ras 또는 Ki-ras) : 세포 신호 전달에서 ON/OFF 스위치 역할을 하는 유전자다. 이것이 정상적으로 기능할 때, 이것은 세포 증식을 조절한다. 그러나 이것이 변이가 되면, 중지 신호전달이 방해를 받는다. 따라서 세포는 지속적으로 증식할 수 있으며, 종종 암으로 발전한다.

세 개의 독자적인 연구 결과, 췌장암 환자의 95%에서 종양 성장을 이끄는 돌연변이 유전자를 간접적으로 방해하는 방법이 있다고 말한다.

변형된 유전자 KRAS는 암 연구에서 가장 포착하기 어려운 표적 중 하나로 판명되었다.

현재, 돌연변이 KRAS 단백질(변형된 KRAS 유전자에서 만든 것)을 직접 표적으로 겨냥하는 것 중 FDA 승인을 받은 약은 없다. KRAS와 상호작용하는 단백질을 차단하여, 간접적으로 KRAS를 표적으로 삼는 약은 있지만 임상연구에서는 췌장암에 대해 효과가 없었다.

그러나 새로운 연구에서 연구원들은 KRAS가 상호작용하는 단백질의 활동을 막는 약물이 암세포에게 자가포식自家捕食을 통하여 에너지를 만드는 방법에 의존하도록 강요한다는 것을 발견했다. 그리고 그들은 두 가지 약물의 결합, 즉 KRAS를 간접적으로 표적으로 삼는 약물과 자가포식을 막는 두 약물의 조합이 쥐의 췌장암 종양을 감소시킨다는 것을 보여주었다.

UNC 라인버거 종합암센터의 채닝 더 박사는 "한 가지 약으로 암세포를 공격하면 암세포가 적응할 수 있는 능력이 있다"고 말했다. "암세포가 빠져나갈 수 있는 가능성을 줄이기 위해 한 번에 두 가지 약으로 공격하였다."

이 연구 결과 덕분에 췌장암 환자들에게 이런 두 가지 결합치료의 임상 시험이 가능해졌다. 그 중 하나는 이미 참가자들을 등록시키고 있고 다른 하나는 가까운 미래에 시작될 것으로 예상된다.

이러한 연구의 발판을 마련한 핵심 발견을 한 뉴저지 루터 암 연구소의 에일린 화이트 박사는 "KRAS 유전자는 일부 대장암과 폐암을 포함한 모든 암의 거의 30%에서 돌연변이를 일으키기 때문에 이 접근방식은 잠재적으로 많은 사람들에게 적용될 수 있다"고 말했다.

KRAS를 간접적으로 차단하는 약물은 일부의 암에 효과가 있지만, 대부분의 경우 결국 병이 재발한다.

그녀는 이 연구에서 사용된 자가포식 억제제를 언급하면서 "만약 환자들이 잘 견딜 수 있고 값도 싼 약을 추가할 수 있다면, 그리고 그 환자들 중 오래 지속적 반응을 보이는 환자 그룹이 있다면, 그건 중요한 성과"라고 말했다.

KRAS는 왜 그렇게 공격하기 어려운가?

수십 년 동안 연구원들은 KRAS는 암 치료 표적이라는 것을 알아냈지만, 오래 전부터 "약으로 사용할 수 없는" 단백질로 여겨져 왔다. 그 이유는 이 단백질에는 소분자 약물이 결합할 수 있고 그 기능을 손상시킬 수 있는 명백한 자리가 부족하기 때문이다.

그러나 이러한 관점은 변하고 있다. 왜냐하면 NCI가 후원하는 RAS 연구계획에 속한 과학자들을 포함한 과학자들이 돌연변이 RAS 단백질을 표적 삼는 연구목표에 진전을 보이고 있기 때문이다.

또 다른 접근방법은 KRAS와 상호작용하는 단백질을 표적으로 삼는 것이다. 돌연변이 KRAS는 지속적인 성장신호를 보내는데, 이 신호는 신호경로라는 일종의 연쇄반응을 통하여 한 단백질에서 다른 단백질로 전달된다.

이 연구의 한 분야를 주도한 국립암연구소 암 연구센터의 지 루오 박사는 6개 이상의 신호 경로가 KRAS에서 생겨나며, 그중 하나가 손상되면 다른 것이 느슨한 것의 속도를 올리거나 우회할 수 있다고 설명했다.

세 번째 연구를 이끈 유타 대학 헌츠맨 암 연구소의 마틴 맥마흔 박사는 "그래서 한 KRAS 신호 경로를 막는 약물이 암세포의 성장을 늦출 수는 있지만 대개는 죽이지 않는다"고 말했다.

연구자들은 대신 KRAS 신호 경로와 다른 연결 경로에 있는 여러 취약점을 동시에 타격하는 결합 접근법으로 눈을 돌렸다.

이러한 연구들은 "이 개념의 중요성을 확립하는 데 도움이 되는 큰 추진력"이라고 화이트 박사는 말했다.

KRAS-변이 암의 약점 찾기

가장 효과적인 조합을 파악하기 위해 루오 박사와 그의 팀은 특정 단백질의 생성을 억제하는 작은 인공 RNA 분자의 조합(소규모 간섭 RNA라 함)을 이용하여 한 번에 여러 단백질을 대상으로 하는 새로운 전략을 고안했다.

연구팀은 6개의 KRAS 신호경로와 세포가 변이 KRAS로 인한 스트레스를 이겨내는데 도움이 되는 자가포식 경로 같은 경로들 내의 단백질을 차단하였다. 대체로, 그들은 정상 인간 세포와 인간의 KRAS-변이 췌장암과 대장암 세포에서 거의 400가지 다른 단백질 조합의 효과를 조사했다.

결국 연구원들은 건강한 세포를 해치지 않고 암세포를 죽인 최적의 조합을 발견했다. 즉, 자가포식 단백질과 MAPK 경로로 알려진 RAS 신호 경로에 있는 두 단백질이다.

그리고 그들은 자가포식 경로를 제거함으로써 KRAS-변이 암세포가 MAPK 경로로 알려진 약물인 트램세티니브(메키니스트) 치료에 더 민감하게 만든다는 것을 보여주었다.

2월 1일 국립과학원 회보에 발표된 이 연구는 루오 박사의 연구실과 NCI의 RAS 연구계획 사이의 오랜 협력의 결과였다.

췌장암 세포는 에너지를 위해 자가포식이 필요하다.

더 박사와 그의 동료들은 다른 방법을 통해 비슷한 결론에 도달했다. 3월 4일 네이처 메디신 지에 발표된 그들의 연구에서, 연구원들은 돌연변이 KRAS가 췌장암에서 흔히 관찰되는 높은 수치의 자가포식의 원인인지를 물었다.

그들은 KRAS-변이 췌장암 세포에서 KRAS 경로나 MAPK 경로를 차단하면 자가포식의 속도를 증가시키는 반면 다른 에너지 생산 경로를 느리게 하는 것을 알고 놀랐다.

연구 팀은 에너지 생산의 방해하면 췌장암 세포가 자가포식에 더 많이 의존하게 하고 따라서 그것을 표적으로 삼는 약물에 더 취약해질 것이라고 추측했다.

그들은 하이드록시클로로킨이라는 자가포식 억제제와 MAPK 경로에서 단백질을 차단하는 한 종류의 약으로 눈을 돌렸다. KRAS-변이 인간 췌장암을 이식한 생쥐에서, 두 약물을 함께 사용한 치료는 어느 약물보다 종양 성장 속도를 늦추고 생존 기간을 연장시켰다.

그리고 그 조합은 시너지 효과가 있었는데, 이는 두 약물의 결합 효과가 단순히 각 약물의 효과를 그 자체를 추가하는 것보다 크다는 것을 의미한다.

다른 종류의 암과 첫 번째 환자의 증거

맥마흔 박사와 그의 팀은 이 접근법을 뒷받침하기 위해 더 많은 증거를 추가했고 그 가설을 훨씬 더 전진시겼다. 그들의 연구결과는 또한 3월 4일 네이처 메디신 지에도 발표되었다.

이 연구원들은 하이드록시클로로킨과 트라메티닙의 결합으로 생쥐의 KRAS-변이 췌장암이 거의 완전히 제거되었다는 것을 발견했다.

이 두 가지 약물의 조합은 또한 흑색종과 대장암의 쥐 모델에서 다른 RAS 유전자에 돌연변이가 잠복해 있거나 MAPK 경로에 있는 단백질의 유전자를 가진 종양을 감소시켰다.

쥐의 치료로 인한 유일하고 분명한 부작용은 발진과 탈모였다. 이 두 가지 부작용 모두 하이드록시클로로킨의 투여량이 감소했을 때 줄어들었다.

헌츠먼 암 연구소의 코난 킨제이 박사도 이러한 연구실 실험을 수행하는 동안 전이성 췌장암이 재발한 징후를 보이고 있는 환자를 돌보고 있었다. 수술과 몇 번의 화학 요법을 받은 후, 그 환자는 치료 선택지가 바닥났다.

하이드록시클로로킨과 트라멭티닙은 각각 말라리아와 흑색종 치료용으로 식약청의 승인을 받았다.

킨제이 박사는 윤리적 지침에 따라 환자에게 트트라메티닙과 하이드록시클로로킨을 이용한 온정적인 사용과 무 승인 처방의 치료를 제공했고, 환자는 이를 받아들였다.

2개월 만에 췌장암 표지자 CA 19-9의 환자의 혈액 수치가 95%나 떨어졌다. 4개월 후, 그의 몸에 있는 암의 양은 50% 줄었다.

"그것은 췌장암에 대한 꽤 놀라운 반응입니다,"라고 맥마혼 박사는 말했다.

환자는 피로와 치료로 인한 발진을 경험했다. 조사관들이 약물과 관련된 다른 부작용에 대해 그를 면밀히 관찰했지만, 관찰된 것은 하나도 없었다.

맥마혼 박사는 비록 환자가 결국 합병증으로 사망했지만, "그는 모든 치료 방법을 다 써버린 시점에서 6개월에서 7개월의 양질의 삶을 살았다"고 말했다.

Researchers Discover Potential Way to Hit Elusive Target in Pancreatic Cancer

April 4, 2019, by NCI Staff

Three independent studies suggest a way to indirectly thwart a mutated gene that drives tumor growth in 95% of people with pancreatic cancer.

The changed gene, KRAS, has proven to be one of the most elusive targets in cancer research.

Currently there are no approved drugs that target mutated KRAS proteins (made from the altered KRAS gene) directly. There are drugs that target KRAS indirectly by blocking proteins that interact with it, but they have been ineffective against pancreatic cancer in clinical studies.

In these new studies, however, the researchers found that drugs that block the activity of KRAS-interacting proteins force cancer cells to rely on a way of creating energy called autophagy. They then showed that a combination of two drugs—one that indirectly targets KRAS and one that blocks autophagy—shrank pancreatic cancer tumors in mice.

“If you hit cancer cells with a single drug, they have the ability to adapt,” said the leader of one of the studies, Channing Der, Ph.D., of UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center. “To decrease the chances that cancer cells can escape, [we] hit them with two drugs at a time.”

The findings have led to two clinical trials of such combination treatments in people with pancreatic cancer: one that is already enrolling participants and a second that is expected to launch in the near future.

Because the KRAS gene is mutated in nearly 30% of all cancers, including some types of colorectal and lung cancer, this approach potentially could be applicable to a lot of people, said Eileen White, Ph.D., of Rutgers Cancer Institute of New Jersey, who made key discoveries that set the stage for these studies.

Drugs that indirectly block KRAS are effective against some types of cancer, but in most cases the disease eventually returns.

“If you could add an inexpensive drug that is well-tolerated,” she said, referring to the autophagy inhibitor used in the studies, “and get a subset of those patients to have long-lasting responses, that would be a major achievement.”

Why Is KRAS So Hard to Hit?

Though researchers identified KRAS as an important treatment target for cancer decades ago, it has long been considered an “undruggable” protein. That’s because the protein lacks obvious places to which a small-molecule drug can bind and impair its function.

That view is changing, however, as scientists—including those that are part of the NCI-funded RAS Initiative—have been making progress on their goal to target mutant RAS proteins.

Another approach has been to target proteins with which KRAS interacts. Mutant KRAS produces continuous growth signals that get handed off from one protein to the next in a kind of chain reaction referred to as a signaling pathway.

More than six signaling pathways stem from KRAS; if one is impaired, the others can pick up the slack or circumvent it, explained one study’s lead investigator, Ji Luo, Ph.D., of NCI’s Center for Cancer Research.

That may be why drugs that block one KRAS signaling pathway can slow the growth of cancer cells but don’t usually kill them, noted Martin McMahon, Ph.D., of Huntsman Cancer Institute at the University of Utah, who led the third study.

Researchers have instead turned to a combination approach that hits multiple weak spots in the KRAS signaling pathways and other connected pathways at the same time.

These studies are “a great push forward to help establish the importance of this concept,” said Dr. White.

Identifying Weak Spots in KRAS-Mutant Cancers

To identify the most effective combination, Dr. Luo and his team devised a novel strategy to target several proteins at one time using combinations of small lab-made RNA molecules that suppress the production of specific proteins (called small interfering RNAs).

The team blocked proteins in six KRAS signaling pathways and in pathways, such as the autophagy pathway, that help cells survive stress caused by mutant KRAS. All in all, they investigated the effects of nearly 400 different protein combinations in normal human cells and in human KRAS-mutant pancreatic and colorectal cancer cells.

The researchers eventually discovered the optimal combination that killed cancer cells without harming healthy cells: targeting an autophagy protein and two proteins in a RAS signaling pathway known as the MAPK pathway.

They then showed that eliminating the autophagy pathway made KRAS-mutant cancer cells more sensitive to treatment with trametinib (Mekinist), a drug that blocks a protein in the MAPK pathway.

The study, published February 1 in Proceedings of the National Academy of Science, was part of a long-standing collaboration between Dr. Luo’s lab and NCI’s RAS Initiative.

Pancreatic Cancer Cells Need Autophagy for Energy

Dr. Der and his colleagues reached a similar conclusion through different methods. In their study, published March 4 in Nature Medicine, the researchers asked whether mutant KRAS was to blame for the high levels of autophagy commonly observed in pancreatic tumors.

They were surprised to find that, in KRAS-mutant pancreatic cancer cells, blocking KRAS or the MAPK pathway sped up autophagy while slowing other energy-producing pathways.

The team speculated that this disruption of energy production may cause pancreatic cancer cells to rely more heavily on autophagy—and therefore become more vulnerable to drugs that target it.

They turned to an autophagy inhibitor called hydroxychloroquine and a drug that blocks a protein in the MAPK pathway. In mice transplanted with KRAS-mutant human pancreatic tumors, treatment with both drugs together slowed tumor growth and extended survival more than either drug alone.

And the combination was synergistic, meaning that the combined effect of the two drugs was greater than simply adding the effects of each drug on its own.

Evidence in Other Cancer Types and the First Patient

Dr. McMahon and his team added more evidence to support this approach and carried the hypothesis even further. Their findings were also published March 4 in Nature Medicine.

These researchers found that the combination of hydroxychloroquine and trametinib almost completely eliminated KRAS-mutant pancreatic tumors in mice.

The two-drug combination also shrank tumors in mouse models of melanoma and colorectal cancer harboring a mutation in another RAS gene or the gene for a protein in the MAPK pathway.

The only obvious side effects from the treatment in the mice were rash and hair loss—both of which were lessened when the hydroxychloroquine dose was decreased.

While carrying out these lab experiments, study investigator Conan Kinsey, M.D., Ph.D., of Huntsman Cancer Institute, was also caring for a patient who was showing signs that his metastatic pancreatic cancer had come back. After getting surgery and several lines of chemotherapy, the patient had run out of treatment options.

Hydroxychloroquine and trametinib are approved by the Food and Drug Administration for the treatment of malaria and melanoma, respectively.

In compliance with ethical guidelines, Dr. Kinsey offered the patient compassionate use and off-label treatment with trametinib and hydroxychloroquine, and the patient accepted.

Within 2 months, the patient’s blood levels of CA 19-9, a marker for pancreatic cancer, fell by 95%. After 4 months, the amount of cancer in his body was reduced by 50%.

“That’s a pretty remarkable response for pancreatic cancer,” Dr. McMahon said.

The patient experienced fatigue and a rash from the treatment. Though the investigators monitored him closely for other side effects associated with the drugs, none were observed.

Although the patient ultimately died from complications of the disease, “he got 6 to 7 months of good-quality life at a point where he had expended all of his therapeutic options,” noted Dr. McMahon.

Moving Forward with Measured Optimism

While all three teams expressed excitement over this novel approach, they also cautioned that there is still a long way to go before they know what kind of impact it might have.

For example, Dr. Luo noted that only some of the KRAS-mutant cancer cell lines his team tested were sensitive to combined suppression of the MAPK and autophagy pathways, suggesting that not all tumors will react the same way.

But, on the basis of their findings thus far, Dr. McMahon said he’s hopeful that the hydroxychloroquine and trametinib combination will be an effective therapy for some patients with pancreatic cancer.

His team plans to analyze tumors of clinical trial participants to try to identify biological characteristics that may indicate which people are more likely to respond to the treatment. Such an analysis could reveal potential ways to improve the approach, he said.