In diesen Tagen, in der ära der personalisierten Medizin, Wann immer Forscher entdecken ein neues Krebsmedikament, das Sie erwartet, um zu zeigen, wie es funktioniert und um zu beweisen, dass es übt seine therapeutische Wirkung durch die Kollision mit einem bestimmten molekularen target.
Eine ausführliche wissenschaftliche Verständnis von einer Droge molekularen Mechanismus der Handlung ist absolut entscheidend für die sichere und wirksame Verwendung, einschließlich der Auswahl der Patienten für die Behandlung durch Einsatz von Biomarkern—oder seine Kombination mit anderen Behandlungen.
Die wichtigsten Schritte, die Forscher brauchen, um in der Anwendung von Biomarkern sind in der Pharmakologischen Audit-Trail, ein gold-standard-Rahmen als Leitlinie für die Schaffung von neuen Therapien, die hier entwickelt wurde an Das Institute of Cancer Research, London.
Aber obwohl wir in der Regel ein gutes Verständnis von, wie moderne Behandlungen entfalten Ihre primäre Wirkung, das bedeutet nicht, dass eine detaillierte Prüfung einer Droge molekulare Pharmakologie können nicht werfen ein paar überraschungen.
Eine Studie gerade veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte und co-Leitung bei der ICR-von Dr. Albert Antolin, Professor Bissan Al-Lazikani und mir, ist ein schönes Beispiel.
Unsere Forschung sah vier Medikamente, die gehören zu einer wichtigen Familie von Behandlungen, die sogenannten PARP-Inhibitoren. Diese Medikamente blockieren die Funktion von Proteinen, bekannt als PARPs (vollständiger name poly-ADP-ribose-Polymerasen), die die Durchführung ein wichtiger Prozess involviert in die Reparatur von DNA-und so nutzen, Mängel in den BRCA und andere DNA-damage response Proteine in Krebszellen—ein Effekt, bekannt als synthetische Letalität.
PARP-Inhibitoren sind unter den innovativsten Medikamente in der Krebs-Behandlung heute. Mit den großen input aus der Forschung hier am ICR, wurden die ersten Krebs-Medikamente richtet sich gegen vererbte genetische Störungen, wenn Sie genehmigt wurden, für Frauen mit Eierstockkrebs, die Keimbahn BRCA-Mutationen. Seitdem PARP-Inhibitoren haben auch lizenziert wurde für Frauen mit Brustkrebs, die vererbten BRCA-Mutationen und zeigen auch Vorteile für einige Männer mit Prostatakrebs, deren Krebserkrankungen zeigen, dass Mutationen im BRCA und andere DNA-Reparatur-Gene.
Wir wissen, dass alle vier von den genehmigten PARP-inhibitor Medikamente sind gut für die Patienten, so war es vielleicht ein wenig verwunderlich, dass die vier lizenzierten Inhibitoren weisen sehr unterschiedliche Ebenen der molekularen Selektivität in einigen Ihrer Wechselwirkungen mit Proteinen.
Es war bereits bekannt, dass in der Erwägung, dass alle vier zugelassenen Medikamente haben die Fähigkeit zur Hemmung Schlüssel PARP-Proteine (die meisten potent handeln auf PARP1 und PARP2), Sie aber dennoch zeigen sich einige deutliche Unterschiede in Ihrer Aktivität gegen die 17 anderen Mitglieder der PARP-Familie. Auch zu beachten ist, dass die lizenzierten PARP-Drogen haben verschiedene Effekte auf, was ist bekannt als „PARP trapping.“
Was unsere neue Studie zeigt, mit unvoreingenommene, large-scale computational und experimentelle Analyse, in welchem Ausmaß die vier zugelassenen Medikamente haben zusätzliche und bemerkenswert unterschiedliche Aktivität gegen eine andere Gruppe von Proteinen, Sie sind nicht mit dem Ziel entwickelt, die protein-Kinasen, die ihrerseits das primäre Ziel von vielen anderen Krebsmedikamenten.
Das Verständnis der Vielfalt der off-target-Effekte von Behandlungen auf molekularer Ebene hat das Potenzial zu helfen, entdecken Sie die Beiträge, um sowohl die Heilsame Wirkung von Medikamenten und auch die unerwünschten Nebenwirkungen-und in die Zukunft führen könnte, wie genau Sie in der Klinik, und wie Sie am besten mit anderen Behandlungen kombiniert werden.
Off-target-Effekte
Es war bereits einige Informationen verfügbar sein, dass PARP-Inhibitoren binden können, um bestimmte protein-Kinasen. Unsere neue Studie hat die umfassende Einschätzung, inwieweit die PARP-Inhibitoren interagieren auf molekularer Ebene mit dem protein-kinase-Familie.
Die Softwareentwicklungsprojekte unserer Studie definiert die gesamte Landschaft der kinase-off-target-Effekte der genehmigten PARP-zielgerichtete Medikamente.
Es ist auch das erste mal, dass PARP-Inhibitoren haben sich gezeigt zu haben, wie potent off-target-Effekte bei sehr niedrigen Konzentrationen unterhalb der oft kritischen Schwellenwert die Konzentration eines micromolar, die am ehesten erreicht werden kann in Patienten.
Unsere Studie wirft eine Reihe von Fragen. Könnte, zum Beispiel, die Auswirkungen auf die Kinasen klinische Bedeutung haben oder könnten Sie therapeutisch genutzt werden in der Zukunft?
Genauer gesagt, könnte die kinase-off-target-Effekte, die helfen, erklären und möglicherweise vermeiden, bestimmte toxische Nebenwirkungen, oder ausgenutzt werden, um zu behandeln, andere Arten von Krebs, oder leiten Sie die Verwendung von PARP-Inhibitoren in der Arzneimittel-Kombinationen—wie neben der Immuntherapie?
Darüber hinaus ist unsere Forschung wirft die Möglichkeit, ob wir potenziell nutzen, die duale Aktivität der Medikamente sowohl gegen PARP und kinase-Ziele in der Zukunft drug design “ —eine Art ‚polypharmacology“, definiert als das design oder die Verwendung von Arzneimitteln, die handeln auf mehrere Ziele oder Krankheit wegen.
Large-scale computational Vorhersage und experimentellen screening
Wir zunächst nahmen ein computational screening-Ansatz zur Identifizierung von protein-Kinasen, die möglicherweise die Fähigkeit haben, sich mit den vier genehmigten PARP-Inhibitoren—in einem ‚Schloss und Schlüssel‘ Art Beziehung.
Nutzung von verschiedenen computergestützten Methoden erlaubt uns vorherzusagen, dass die klinische PARP-Inhibitoren könnte in der Tat das Potenzial haben, zu binden, zu viele protein-Kinasen—in unterschiedlichem Maße abhängig von der PARP-Medikament besorgt.
Neben, haben wir eine große, unvoreingenommene protein-binding-Technologie-Plattform, um Bildschirm experimentell für die tatsächliche Fähigkeit der PARP-Inhibitoren binden an Mitglieder der protein-kinase-Familie (das „kinom‘) – und alle zeigen Unterschiede zwischen den PARP Drogen.
Durch diese zwei Ansätze parallel, fanden wir, dass, obwohl die rechnerische Ansatz war nützlich, indem Sie das Potenzial von PARP Drogen zu engagieren mit vielen verschiedenen protein-Kinasen, die genaue Aussagekraft begrenzt war—was auf eine Notwendigkeit zur weiteren Verbesserung der Methodik für zukünftige Anwendungen.
Mit dem protein-binding-Technologie-Plattform, um Bildschirm für die Interaktion mit Hunderten von Kinasen, fanden wir, dass zwei der vier genehmigten PARP-inhibitor Drogen waren in der Lage, sich direkt mit vielen protein-Kinasen—rucaparib Bindung an 37 und niraparib Interaktion mit 23 protein-Kinasen, von denen nur 15 wurden in gemeinsamen. Im Gegensatz dazu talazoparib zeigte nur eine schwache Bindung an zwei Kinasen und olaparib nicht binden erheblich zu einer der 392-Kinasen getestet, Sie repräsentieren 76 Prozent des gesamten menschlichen kinome.
Wir haben dann durchgeführt, weitere follow-up-Untersuchungen mit einem hoch-Durchsatz assay zur Messung der Fähigkeit von PARP-inhibitor Drogen nicht nur zum binden an protein-Kinasen, aber auch blockieren die funktionelle katalytische Aktivität ausgewählter Kinasen in der Zelle frei biochemischen assays mit dem gereinigten Proteine. Von besonderem Interesse sind, rucaparib gefunden wurde, um potent zu hemmen, drei-Kinasen—CDK16, PIM3 und DYRK1B—während niraparib wurde gezeigt, dass stark hemmen zwei Kinasen, DRK1B wieder und auch DIRK1A.
Wie oben dargelegt, ist dies das erste mal, dass PARP-Inhibitoren berichtet worden solche potenten off-target-Effekte, Hemmung der Kinasen bei Drogen-Expositionen unterhalb der ein micromolar Ebene. Solche Konzentrationen sind Häufig bei Patienten beobachtet, unterstreicht die mögliche klinische Relevanz.
Weiter haben wir getestet, ob rucaparib und niraparib behaupten konnte Ihre potente kinase-Bindung innerhalb lebender Zellen mithilfe der sogenannten NanoBRET assay-Plattform. Wichtig ist, dass wir gezeigt Bindung der beiden CDK16 von rucaparib und DYRK1A durch niraparib in lebenden Zellen, mit 50% Hemmung in der 200-230nM-Bereich. Wie erwartet, aus der früheren profiling, olaparib war inaktiv in der live cell assay.
Mögliche Auswirkungen von off-target-kinase-Hemmung auf die klinische Nebenwirkung profile
Unsere Forschung zeigt, dass die vier genehmigten PARP-inhibitor Drogen, obwohl ähnlich effektiv in der Klinik tatsächlich weisen verschiedene molekulare Effekte über Ihre beabsichtigten Ziele.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass die Bindung von rucaparib und niraparib zu Kinasen ist weniger stark als Ihre Bindung an PARP1 und PARP2. Dennoch, es ist stark genug, zu überlegen, die möglichen Konsequenzen, einschließlich möglicher Beitrag zu den negativen Auswirkungen.
Als einen ersten Schritt zur Förderung der weiteren Zinsen, die wir zusammengestellt eine übersicht von Nebenwirkungen aus der klinischen Studie die Daten der vier PARP-inhibitor Drogen. Dies illustriert, dass es zwar Nebenwirkungen gemeinsam, jeder der Drogen hat ein anderes Nebenwirkungsprofil.
Wir schlagen vor, dass weitere Studien erforderlich sind, um, ob diese unterschiedlichen profile könnte potenziell verknüpft werden, um differential-off-target-kinase-Hemmung.
Zukünftige Anwendungen
Wir denken, unsere Ergebnisse sind wichtig, weil Sie sollte für zukünftige Studien mit PARP-Inhibitoren in einer Reihe von möglichen Richtungen-möglicherweise auch helfen, zu führen, wie Sie angewendet werden, in der Klinik—als Beispiel, bei der Prüfung von Medikamenten-Kombinationen wie mit der Immuntherapie.
Wir glauben auch, dass der Ansatz, den wir genommen haben, hier zu studieren „molekulare Promiskuität‘ kann angewendet werden, um andere Medikamente, um besser zu verstehen, Ihre molekularen und klinischen Effekte und vielleicht auch, um zu maximieren den nutzen, den Sie liefern, für die Patienten durch polypharmacology.
Könnte es sein, machbar zu optimieren jede gewünschte dual Aktivität gegen PARP und kinase-Familie-Ziele in einem „designer polypharmacology“ – Ansatz.
Eine Idee, die wir vorschlagen, in der Veröffentlichung wäre der Aufbau auf die starke Aktivität der niraparib gegen die DIRK1A kinase, die assoziiert mit akuter lymphoblastischer Leukämie bei Kindern mit Down-Syndrom.
Drug-Designer möglicherweise auch nutzen, um die Aktivität von PARP Inhibitoren gegen die Kinasen, die zur Herstellung neuer Medikamente, die sich auf die ‚dunkle kinom“ – das ist die sehr große Anzahl von Kinasen, die derzeit nicht haben-Hemmer zur Verfügung.
Oft ist die Tatsache, dass ein Medikament off-target-Effekte können wahrgenommen werden als negative, und das kann wahr sein. Aber in der Tat, es ist üblich, Medikamente zu haben, die mehrere molekulare Interaktionen, wie wir Sie hier gesehen haben, dazu beitragen können, dass der therapeutische nutzen. Zum Beispiel, eine Reihe von anti-Krebs-Agenten auf mehreren Kinasen, die dazu beitragen, den Krebs als Teil Ihres Wirkmechanismus.
Zwei aktuelle Studien von anderen Forschern haben Licht auf, wie Drogen ausüben können, der molekularen Wechselwirkungen, die erst nach der Genehmigung für den flächendeckenden Einsatz.
In einem dieser, veröffentlicht in Science Translational Medicine, die Verwendung von CRISPR-gen-knockout-Technologie ergab, dass für mehrere Medikamente Durchlaufen klinischen Studie die vorgeschlagene primäre Ziel ist nicht wirklich wesentlich für die Krebszellen zu überleben. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass die Drogen behielten Ihre Aktivität in Krebszellen, in denen die vorgeschlagenen molekularen Ziel war ausgeschlagen durch CRISPR. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass diese neue Entwicklungs-Agenten werden muss, übt Sie Ihre therapeutische Wirkung durch Einwirkung auf die verschiedenen, bislang ungeahnte molekulare targets.
Die Wirkung klopfen Sie aus der Ziel-auf die Reaktion der Krebszellen Gedanken zu handeln, vor allem über das Ziel kann jetzt Hinzugefügt werden, um die target-Validierung toolbox—mit einem zusätzlichen Ansatz, um zu demonstrieren, Widerstand in Krebs Zellen, die eine mutierte form von dem Ziel, dass nicht mehr bindet sich das Medikament.
In der zweiten Studie, veröffentlicht auf den preprint-server bioRxiv, Forscher verglichen die Wirkung von, auf der einen Seite, eine große Sammlung von 397 Medikamente oder Prototyp-Agenten, auf der anderen Seite, die Auswirkungen der Genom-weiten CRISPR ko-spezifischer Gene in einem panel von 484 menschlichen Krebs-Linien—für die umfassende und systematische Charakterisierung von Ihrer genetischen Merkmale durchgeführt wurde. Die Ergebnisse sind faszinierend und informativ.
Blick auf die Medikamente, für die es Informationen über die geplante Zielgruppe und für die Daten verfügbar sind, für die CRISPR ko des Ziels, fanden die Forscher eine signifikante Korrelation zwischen Drogen-Empfindlichkeit und die nominelle Ziel für nur ein Viertel des Agenten getestet. Erhöht sich diese auf etwa die Hälfte, wenn der Verein-entweder mit dem nominalen Ziel nicht selbst oder ein funktionell Verwandtes protein betrachtet werden. Dies lässt 50% der Medikamente, in denen es keine Assoziation zwischen dem vordergründigen Ziel und Krebs Zelle-Empfindlichkeit.
Auch die Buchhaltung für die Tatsache, dass sich die Konzentration-abhängigen, möglicherweise unvollständige pharmakologische Hemmung ist mechanistisch Verschieden von der Summe der gen-knockout von CRISPR, das hinterlässt einen sehr hohen Anteil von Arzneimitteln für die Krebs-Zelle Empfindlichkeit kann nicht berücksichtigt werden, durch Maßnahmen auf einer einzigen molekularen Ziel.
Es scheint sehr wahrscheinlich, dass die Aktion auf zwei oder mehr targets—polypharmacology—ist ein wichtiger Faktor.
Auswirkungen für die Chemische Sonden sowie Medikamente
Das auftreten von off-target-Effekte ist wichtig, nicht nur für den Gebrauch von Drogen bei Patienten, aber auch für die Anwendung von Drogen und andere niedermolekulare Wirkstoffe, die als Chemische Sonden, die im Labor Forschung zielt auf die Identifizierung der Rollen von bestimmten Proteinen in der biologischen und krankheitsmechanismen. Um auf den Einsatz von chemischen Sonden mit Vertrauen und vermeiden Sie irreführende Ergebnisse, es ist wichtig, dass die Chemie-Werkzeug-Verbindung ist, die als selektiv für das vorgesehene Ziel, wie möglich—und das auf einer off-target-Effekte sind dokumentiert und verringert werden.
Die Verfügbarkeit von large-scale screening-Plattformen und online-Ressourcen macht die Fähigkeit zu bewerten, Drogen und Sonden für das on-target-und off-target-Effekte viel mehr zugänglich. Die Verwendung dieser ist dringend empfohlen.
Im Fall unserer Studie, die auf PARP-Hemmer olaparib würde bevorzugt werden, die über die drei anderen Medikamente bewertet als Chemische Sonde für PARP1 und 2, wenn die Vermeidung von off-targets-Effekte auf andere Kinasen wird als wichtig angesehen.
Also, ob man angesichts der Entwicklung der Medikamente für die Patienten oder Sonden für die biomedizinische Forschung, zu wissen, Ihre on-target-und off-target-Effekte ist wichtig.
