用于细胞实验的 96 孔培养板。
用于细胞实验的 96 孔培养板。(Lilly_M / Wikimedia Commons;CC BY-SA 3.0)

遗传验证从所选药物的指定靶点开始

抗癌药在培养细胞中有效,仍需要确定杀伤是否来自预定靶点。美国冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Laboratory)等团队在 Science Translational Medicine 选择 10 种处于临床研究或临床前研究阶段的抗癌药,利用人源癌细胞和遗传干预检查作用机制,并对其中 OTS964 继续寻找真实相关靶点。

所选药物对应 CASP3、HDAC6、MAPK14、PAK4、PBK 和 PIM1 6 种蛋白。选取条件包括曾报告有细胞自身增殖相关作用,却尚缺少能够赋予相应药物耐受的已知靶点突变。

5 个候选靶点的敲除未明显抑制细胞增殖

团队在 32 个、12 类肿瘤的细胞系中,比较靶点基因受干预的细胞与其他细胞随培养的比例变化。PCNA、RPA3 等必需基因作为阳性对照,5 次传代后相应细胞明显减少;Rosa26、AAVS1 阴性对照变化较小。HDAC6、MAPK14、PAK4、PBK、PIM1 在本组模型中均未呈现同样的细胞减少。

研究进一步建立单细胞克隆,使用识别不同蛋白部位的抗体确认靶蛋白缺失。多个背景下,敲除克隆仍增殖,并在软琼脂中形成集落;MEK1 作为已确认依赖的对照,敲除后增殖和集落形成下降。

团队检查 33 个敲除克隆的相近同源蛋白表达,没有发现一致补偿性上调;另分析 485 个细胞系的全基因组 CRISPR 数据和 712 项 shRNA 筛选,结果总体一致。四个细胞系中用 CRISPR 转录抑制(CRISPR interference,CRISPRi)降低表达,也没有显示这 5 类靶点基因的明显增殖依赖。

靶点缺失后,药物和部分 RNA 干扰仍能抑制增殖

某些既往 RNA 干扰材料仍能抑制已经敲除相应基因的细胞,提示这些材料造成的生长变化含有脱靶作用。相应药物也在靶点缺失克隆中保持杀伤:例如 PAK4 指定抑制剂 PF-3758309 对对照与 PAK4 缺失细胞的生长半数抑制浓度均约为 9 nM。

CASP3 缺失的四个细胞背景仍对 PAC-1 和 1541B 敏感。其余指定 HDAC6、MAPK14、PAK4、PBK、PIM1 的药物,也在相应敲除模型中保留毒性。所选 10 种药物在已测条件下均表现出不依赖原指定靶点的杀伤。

药物配合其他化疗药时,活力下降可以增强,但同样在靶点缺失克隆中出现。研究还直接检查 HDAC6 缺失后对紫杉醇等药物的敏感性,没有观察到既往所提出的增敏效果。团队分别检验了联合用药的效果和指定靶点的必要性。

OTS964 的耐药突变指向 CDK11

OTS964 原被描述为 PBK 抑制剂。研究从 HCT116 结直肠癌细胞分离出 12 个稳定耐药克隆,10 个用于外显子组测序,全部带细胞周期蛋白依赖性激酶 11B(cyclin-dependent kinase 11B,CDK11B)改变;另外两个也通过测序确认。耐药克隆仍对紫杉醇敏感,未出现相同的普遍多药耐受。

最一致的改变为 CDK11B G579S。将这一突变引入多个癌细胞背景,能使细胞在原致死 OTS964 条件下存活;在已耐药克隆中去掉突变 CDK11B,又恢复敏感。结合测试显示,OTS964 与 CDK11B 的解离常数(dissociation constant,Kd)为 40 nM,相对所测其他部分 CDK 有超过 10 倍的选择性。

CDK11A、CDK11B 单独受到干预时,细胞比例变化较小;同时影响两者则在多个背景下明显降低适应性。药物及相应遗传干预阻碍有丝分裂进程,G579S 可恢复药物条件下的正常分裂。耐药、恢复和直接结合三类结果共同支持 CDK11 是 OTS964 的主要细胞作用靶点。

验证范围集中于细胞自身增殖机制

作者将遗传靶点确认作为临床前药物评价的重要环节:基因缺失后是否保留杀伤、特定突变能否赋予耐药,以及药物是否直接结合相关蛋白,分别提供机制证据。错误指定原靶点也可能遮蔽真正的敏感性标志。

本研究检验的是所选细胞背景中的自主增殖和药物作用。罕见未测肿瘤、炎症及其他非细胞自主作用仍在当前范围之外。实验没有随机化或盲法;细胞竞争实验只有 1 个生物学重复,增殖实验有 2–3 个生物学重复,药敏曲线为 3–6 个技术重复。

来源与延伸阅读

  1. Off-target toxicity is a common mechanism of action of cancer drugs undergoing clinical trials. Science Translational Medicine (2019). ↗