The mechanism of action of different generations of EGFR-inhibitors in malignant lung tumors. Literature review and data synthesis

Full Text

Обоснование

Мутации в гене EGFR – давно известный механизм опухолевой прогрессии при раке легкого. В Российской Федерации встречаемость этой мутации составляет примерно 18,9% у пациентов с аденокарциномой легкого [1]. В настоящее время в арсенале онкологов имеется уже 3 поколения ингибиторов тирозинкиназ (ИТК), используемых для лечения EGFR-мутированного злокачественного немелкоклеточного рака легких (НМРЛ). В исследованиях гефитиниб, эрлотиниб и афатиниб демонстрировали частоту объективных ответов примерно 60%, а выживаемость без прогрессирования достигала 9–13 мес, появление осимертиниба позволило не только преодолеть резистентность к ингибиторам раннего поколения, но и значительно увеличить показатели выживаемости без прогрессирования и общей выживаемости в популяции пациентов с EGFR-мутированной опухолью легкого [2–4]. Как показывает практика, каждое последующее поколение лекарственных средств в чем-то превосходит предыдущее. Единственное, в чем они остаются похожи – это в блокаде рецепторов EGFR, на чем и основывается главный механизм противоопухолевого ответа. В статье мы разберем подробнее, что такое рецептор EGFR, какова его роль в канцерогенезе, и на чем основан механизм действия каждого ингибитора EGFR.

Рецептор эпидермального фактора роста

Рецептор эпидермального фактора роста (epidermal growth factor receptor), или EGFR-рецептор, относится к семейству рецепторов тирозинкиназ ErbB, состоящему из 4 представителей: ErbB1 (EGFR, HER1), ErbB2 (neu, HER2), ErbB3 (HER3), ErbB4 (HER4) [5]. EGFR способен индуцировать клеточную дифференцировку и пролиферацию через активацию при взаимодействии со специфическими лигандами. В структуре рецептора EGFR выделяют 3 зоны: внеклеточную; лиганд-связывающую – внутриклеточную, содержащую тирозинкиназу; трансмембранную – с единственной гидрофобной якорной последовательностью, с помощью которой рецептор пересекает клеточную мембрану (рис. 1). При взаимодействии лиганд–рецептор на поверхности клетки формируются гомо- и гетеродимерные комплексы, активирующие тирозинкиназу во внутриклеточном домене, что приводит к повышению каталитической активности и запуску сигнальных путей, отвечающих за клеточный рост, синтез ДНК и экспрессию протоонкогенов. Комплекс рецептор–лиганд впоследствии подвергается эндоцитозу и лизосомальному распаду либо утилизируется в плазматической мембране – эти процессы приводят к остановке активации EGFR-рецептора и служат регуляторами активности клетки [6, 7].

 

Рис. 1. Схематическое строение рецептора EGFR. / Fig. 1. Schematic structure of the EGFR receptor.

 

Активация тирозинкиназы ведет к фосфорилированию тирозиновых остатков и связыванию со специфическими белками, инициирующими запуск внутриклеточных сигнальных путей:

• Ras/Raf/митоген-активируемая протеинкиназа (MAPK), активированная MAPK в ядре, влияет на специфические транскрипционные факторы, задействованные в клеточной пролиферации;
• фосфатидилинозитол-3-киназа/Akt – этот сигнальный путь вовлечен в процессы клеточного роста, подавления апоптоза, инвазии и миграции;
• фосфолипаза Cγ участвует в активации MAPK;
• STAT (signal transducers and activators of transcription pathway) – регулирующие транскрипцию сигнальные белки – опосредованно влияют на канцерогенез благодаря тесной связи с передачей сигналов фактора роста, апоптоза и ангиогенеза; кроме того, дефективный STAT может приводить к подавлению противоопухолевого иммунитета [8];
• Src-киназа – играет ключевую роль в регуляции клеточной пролиферации, миграции, адгезии, ангиогенеза и имунного ответа [9].

Известно 7 лигандов, способных активировать EGFR:

• EGF (эпидермальный фактор роста);
• TGF-α (трансформирующий фактор роста α);
• HB-EGF (гепаринсвязывающий EGF-подобный фактор роста);
• BTC (β-целлюлин);
• AR (амфирегулин);
• EPI (эпирегулин);
• эпиген.

Некоторые из них в повышенных концентрациях обнаруживаются в злокачественных опухолях, где они участвуют в ауто- и паракринной передаче сигнала, однако онкогенный потенциал этих лигандов остается разным [10].

Интересующие нас мутации гена EGFR вызывают автофосфорилирование его рецептора и активацию сигнальных путей без необходимости связываться с лигандом [11]. Гиперэкспрессия рецептора в опухолевых клетках также значительно увеличивает активность киназы в отсутствие лиганда, более того, EGF-опосредованная клеточная активность, такая как подавление рецепторов, активация транскрипции генов и пролиферация клеток, теряется в результате мутации одной аминокислоты, приводящей к дефициту киназы EGFR [7].

Наиболее известные, так называемые классические мутации, включают делецию в экзоне 19 (ex19del) и нуклеотидную замену T (тимин) на G (гуанин) в положении 2573 экзона 21, приводящую к аминокислотной замене лейцина на аргинин (L858R). Их встречаемость составляет примерно 50 и 40% случаев соответственно [12–14]. Названные мутации вызывают дестабилизацию неактивной конформации рецептора, приводя к повышению его активности и димеризации по сравнению с диким типом [12]. Эти мутации считаются предиктивными маркерами эффективности терапии с применением ингибиторов тирозинкиназ и показывают лучшие результаты лечения, нежели более редкие виды мутаций, наблюдаемые в 18–25-м экзонах (к примеру, S768I, L861Q или G719X) [12, 15, 16].

ИТК: EGFR – 1-е поколение

Известные с 80-х годов XX в. механизмы опухолевого прогрессирования, связанные с гиперактивацией EGFR, побудили исследователей к поиску молекул-ингибиторов. Известные нам в настоящее время представители семейства ингибиторов тирозинкиназ делятся на 2 большие группы: обратимые и необратимые ИТК [7]. Обратимые ИТК, или 1-е поколение EGFR-ингибиторов, селективно связываются с внутриклеточным доменом рецептора эпидермального фактора роста путем присоединения к АТФ-связывающему сайту домена [17]. Сайт связывания АТФ (ATP binding site) получил свое название благодаря лиганду АТФ (аденозин- 5’-трифосфат)/или нуклеозидтрифосфату ATФ, представляющему собой малую молекулу, используемую в клетке как коэнзим и играющую важную роль в процессах передачи сигналов, транскрипции и репликации ДНК и различных метаболических процессах путем гидролиза и снабжения белков химической энергией, позволяющей последним выполнять свои биологические функции [18]. Присоединение ИТК к данному сайту связывания блокирует взаимодействие с АТФ, нарушая автофосфорилирование EGFR и передачу сигнала внутри клетки (рис. 2). Этому процессу способствует снижение аффинности киназы рецептора EGFR для ATФ при классических мутациях, позволяющее ингибиторам 1-го поколения более прочно взаимодействовать c тирозинкиназным доменом [19, 20].

 

Рис. 2. Механизм действия ИТК. / Fig. 2. Mechanism of action of tyrosine kinase inhibitors.

 

Прекращение передачи сигнала ведет к апоптозу опухолевой клетки и проявлению клинического противоопухолевого ответа, подтвержденного данными многих клинических исследований [21–26].

ИТК: EGFR – 2-е поколение

Так называемое 2-е поколение ингибиторов тирозинкиназ получило механизм необратимого ковалентного связывания ATФ-связывающего сайта не только EGFR, но и других представителей семейства ErbB, в том числе HER2, играющего ключевую роль в активации всего семейства ErbB (рис. 3) [27]. С биологической точки зрения это выгодно отличает представителей 2-го поколения от их предшественников, учитывая данные о гиперэкспрессии HER2 и HER3 при НМРЛ, а также о выявлении генетических аберраций в HER2, 3, 4 и в нескольких сигнальных молекулах в пределах внутриклеточных сигнальных путей ErbB, таких как KRAS, HRAS, BRAF и RASA1 [28].

 

Рис. 3. Принцип работы ИТК 2-го поколения. / Fig. 3. Principle of 2nd generation tyrosine kinase inhibitors.

 

Клинические исследования III фазы (LUX-Lung 3 и LUX-Lung 6) указали на преимущества афатиниба по сравнению со стандартной химиотерапией у пациентов с мутацией del19 [29–31]. При прямом сравнении с ингибиторами 1-го поколения в группе афатиниба отмечалась большая частота развития объективных ответов – 72,5% против 56,0% (отношение шансов – ОШ 2,121, 95% доверительный интервал – ДИ 1,32–3,40; p= 0,0018), однако различий в выживаемости авторами не выявлено [32].

Исследования эффективности ингибиторов EGFR 2-го поколения применительно к редким мутациям в гене EGFR указали на противоопухолевую активность, сравнимую с эффектом гефитиниба и эрлотиниба при классических мутациях, в то время как эффективность последних молекул при редких мутациях обычно ниже [33, 34]. Одним из основных механизмов, объясняющих данный феномен, является различная аффинность между киназой и разными ИТК, таким образом, предполагается, что такое сродство выше у ингибиторов 2-го поколения за счет образования более прочных ковалентных связей [35]. Эта теория подтвердилась и в экспериментальных исследованиях путем оценки ингибирующей концентрации вещества, которая оказалась значительно ниже для ингибиторов 2-го поколения [34] и на практическом опыте применения препаратов [33, 36].

ИТК: EGFR – 3-е поколение

Несмотря на полученные модификации, ингибиторы 2-го поколения не смогли преодолеть резистентность опухоли, связанную с появлением T790M-мутации. Чтобы лучше понять механизм работы ингибиторов 3-го поколения, стоит разобрать, что представляет собой мутация T790M. T790M-мутация экзона 20 характеризуется заменой треонина на метионин в положении 790 каталитической щели тирозинкиназного домена EGFR, произошедшей в результате изменения пары оснований C на Т соответствующего гена. Это приводит к следующим последствиям:

1) к увеличению объема боковой цепи аминокислоты и, соответственно, появлению стерического «препятствия», не позволяющего занять молекуле-ингибитору соответствующую позицию в ATФ-связывающем сайте домена;

2) метиониновая группа не позволяет ингибитору на примере эрлотиниба формировать прочные водородные связи, снижая его аффинность [37].

Теория о том, что одним из основных механизмов мутации T790M является усиление аффинности к АТФ (а точнее, возвращение к уровню аффинности EGFR дикого типа) в сравнении с обратимыми ингибиторам 1-го поколения, наводила на мысли, что необратимые ингибиторы, образующие ковалентные связи, могут конкурентно выигрывать у АТФ, а следовательно, преодолевать данную резистентность [19]. Однако доступная информация из исследований в Тайвани, Японии и преимущественно азиатской популяции свидетельствует о том, что появление T790M-мутации в большинстве случаев все же ведет к потере эффективности ингибиторов как 1-го (49–69%), так и 2-го (43–68%) поколения [38].

Таким образом, поиск молекулы, способной преодолеть T790M-опосредованную резистентность, привел к открытию следующего поколения ИТК, в частности известного на сегодняшний день в качестве осимертиниба. Осимертиниб также служит необратимым ингибитором тирозинкиназы EGFR, образующим ковалентную связь в области C797 (цистеин-797) АТФ-связывающего сайта тирозинкиназного домена. Это значительно увеличивает аффинность к рецептору EGFR в мутантных клетках, тогда как при диком типе осимертиниб обладал меньшей связывающей силой (см. рис. 3). В экспериментальных исследованиях препарат продемонстрировал подобную ингибиторам ранних поколений активность в отношении классических мутаций (ex19del, L858R), а также ингибировал фосфорилирование EGFR в клеточных линиях, несущих T790M-мутацию [39]. В клинических исследованиях осимертиниб тоже показал значительную противоопухолевую активность: общая выживаемость – 38,6 мес в 1-й линии терапии (95% ДИ 34,5–41,8) [40], увеличение медианы продолжительности ответа до 17,2 мес (95% ДИ 13,8–22,0) [41], выраженная активность при метастазах в центральной нервной системе [42], а также преодоление резистентности к ИТК 1-2-го поколения, вызванной за счет появления T790M-мутации [43].

Обсуждение

Эволюция лекарственной терапии EGFR-мутированной опухоли легких представила нам 3 поколения ИТК. Каждое поколение обладает своими особенностями, обобщенно представленными в табл. 1. Знание механизмов работы и возможностей каждого из поколений препаратов позволит лучше понимать место отдельных лекарственных средств в лечении злокачественных опухолей.

 

Таблица 1. Обобщенная информация по активности разных поколений ИТК / Table 1. Summary of the activity of different generations of tyrosine kinase inhibitors
Показатель	1-е поколение		2-е поколение	3-е поколение
Связь с EGFR	Водородная обратимая		Ковалентная необратимая	Ковалентная необратимая
Селективность	Селективный: ErbB1 (EGFR)		Неселективный: ErbB1 (EGFR), ErbB2 (neu, HER2), ErbB4 (HER4)	Селективный: ErbB1 (EGFR)
Чувствительность к T790M	Нет		Нет	Да
Аффинность к дикому типу EGFR	Низкая		Высокая	Низкая
Чувствительность к редким мутациям:	Эрлотиниб	Гефитиниб	Афатиниб	Осимертиниб
Del18	+/-	+/-	+	+/-?
E709X	+/-	+/-	++	+/-?
G719X	+	+	++	+?
Ins19	+	+	++	?
Ins20	-	-	-	+/-?
S768I	+/-	+/-	+	+/-?
L861Q	+/-	+/-	+	+/-?

 

Заключение

Необходимо помнить, что результаты экспериментальных исследований, проводимых для изучения механизмов работы препаратов, могут отличаться от результатов клинических наблюдений, и здесь требуется небольшая интерпретация. Так, например, в эксперименте ингибиторы 2-го поколения афатиниб и дакомитиниб показали активность против T790M мутированной EGFR, но в дозах, не достижимых в клинической практике. То же касалось и редких мутаций EGFR, многие из которых были чувствительны к EGFR 1-го поколения in vitro, но не показали улучшения результатов лечения на практике в отличие от ингибиторов 2-го поколения. Именно поэтому клинические исследования, подтверждающие теоретические предпосылки к эффективности той или иной схемы терапии, как и фундаментальные знания биологических особенностей действия препарата, остаются крайне важным этапом разработки и внедрения в практику новых лекарственных средств.

Раскрытие интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Disclosure of interest. The authors declare that they have no competing interests.

Вклад авторов. Авторы декларируют соответствие своего авторства международным критериям ICMJE.

Authors’ contribution. The authors declare the compliance of their authorship according to the international ICMJE criteria.

Источник финансирования. Авторы декларируют отсутствие внешнего финансирования для проведения исследования и публикации статьи.

Funding source. The authors declare that there is no external funding for the exploration and analysis work.

About the authors

Ainur F. Nasretdinov

Republican Clinical Oncological Dispensary

Author for correspondence.
Email: rkodrb@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8340-7962

oncologist

Russian Federation, Ufa

Konstantin V. Menshikov

Republican Clinical Oncological Dispensary; Bashkir State Medical University

Email: kmenshikov80@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-3734-2779

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Ufa; Ufa

Alexander V. Sultanbaev

Republican Clinical Oncological Dispensary

Email: rkodrb@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0996-5995

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Ufa

Shamil I. Musin

Republican Clinical Oncological Dispensary; Bashkir State Medical University

Email: musin_shamil@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1185-977X

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Ufa; Ufa

Nadezda I. Sultanbaeva

Republican Clinical Oncological Dispensary

Email: nd.sultan@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-5926-0446

oncologist

Russian Federation, Ufa

Irina A. Men'shikova

Bashkir State Medical University

Email: i-menshikova@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8665-8895

Cand. Sci. (Med.), Assoc. Prof.

Russian Federation, Ufa

References

Supplementary files