了解癌症药物的脱靶效应可能会导致新的治疗方法

　　如今，在个性化医疗时代，每当研究人员发现一种新的抗癌药物时，他们都希望能够准确展示它的工作原理，并证明它通过击中特定的分子靶标来发挥其治疗作用。

　　对药物分子作用机制的详细科学理解对其安全和有效使用绝对至关重要，包括通过使用生物标志物选择患者进行治疗——或将其与其他治疗方法相结合。

　　研究人员在应用生物标志物时需要采取的关键步骤载于药理学审计追踪，这是一个指导新疗法开发的黄金标准框架，由伦敦癌症研究所开发。

　　但是，尽管我们通常对现代治疗如何发挥其主要作用有很好的了解，但这并不意味着对药物分子药理学的更详细审查不会产生一些惊喜。

　　刚刚发表在《科学报告》上并由 Albert Antolin 博士、Bissan Al-Lazikani 教授和我在 ICR 上共同领导的一项研究就是一个很好的例子。

　　我们的研究着眼于属于称为 PARP 抑制剂的重要治疗系列的四种药物。这些是阻断称为 PARPs(全称聚 ADP 核糖聚合酶)的蛋白质功能的药物，这些蛋白质执行涉及修复 DNA 的关键过程，因此利用 BRCA 和癌细胞中其他 DNA 损伤反应蛋白的缺陷——一种效应称为合成致死率。

　　PARP 抑制剂是当今癌症治疗中最具创新性和令人兴奋的药物之一。在 ICR 研究的主要投入下，当它们被批准用于患有生殖系 BRCA 突变的卵巢癌女性时，它们成为第一个针对遗传性基因缺陷的抗癌药物。从那时起，PARP 抑制剂也被许可用于患有 BRCA 突变的乳腺癌女性，并且也对一些患有BRCA 和其他 DNA 修复基因突变的前列腺癌男性显示出益处。

　　我们知道，所有四种获批的 PARP 抑制剂药物对患者都有效，因此发现这四种获批的抑制剂在与蛋白质的某些相互作用中表现出非常不同的分子选择性水平可能有点令人惊讶。

　　众所周知，虽然所有四种批准的药物都具有抑制关键 PARP 蛋白的能力(最有效地作用于 PARP1 和 PARP2)，但它们对 PARP 家族中 17 种不同成员的活性确实表现出一些明显的差异。还需要注意的是，获得许可的 PARP 药物对所谓的“PARP 诱捕”有不同的影响。

　　我们的新研究使用公正的、大规模的计算和实验分析表明，四种获批药物对另一组非设计目标蛋白——蛋白激酶——具有额外且显着不同的活性的程度。它们本身是许多其他抗癌药物的主要靶点。

　　在分子水平上了解治疗的脱靶效应的多样性有可能帮助揭示对药物有益作用和不良副作用的贡献——并且在未来可以准确指导它们在治疗中的使用方式。诊所，以及它们如何最好地与其他治疗相结合。

脱靶效应

　　已经有一些信息表明 PARP 抑制剂可以与某些蛋白激酶结合。我们的新研究提供了对 PARP 抑制剂在分子水平上与蛋白激酶家族相互作用程度的最全面评估。

　　我们研究的大规模性质定义了已批准的 PARP 靶向药物的激酶脱靶效应的整体情况。

　　这也是第一次证明 PARP 抑制剂在非常低的药物浓度下具有如此有效的脱靶效应——低于患者可以很容易地达到的 1 微摩尔的临界阈值浓度。

　　我们的研究提出了许多问题。例如，对激酶的影响是否具有临床意义，或者将来是否可以在治疗上加以利用?

　　更具体地说，激酶脱靶效应是否有助于解释并可能避免某些毒副作用，或可用于治疗其他类型的癌症，或指导在药物组合中使用 PARP 抑制剂——例如与免疫疗法一起使用?

　　此外，我们的研究提出了一个可能性，即我们是否可以在未来的药物设计中利用药物对 PARP 和激酶靶标的双重活性——一种“多药理学”，定义为设计或使用作用于多个目标或疾病途径。

大规模计算预测和实验筛选

　　我们首先采用计算筛选方法来鉴定可能具有与四种已批准的 PARP 抑制剂结合的能力的蛋白激酶 - 处于“锁和钥匙”类型的关系中。

　　使用几种不同的计算方法使我们能够预测临床 PARP 抑制剂可能确实具有与许多蛋白激酶结合的潜力——根据相关 PARP 药物的不同程度不同。

　　此外，我们使用大规模、无偏见的蛋白质结合技术平台，通过实验筛选 PARP 抑制剂与蛋白激酶家族(“激酶组”)成员结合的实际能力，并揭示 PARP 药物之间的任何差异。

　　通过并行采用这两种方法，我们发现虽然计算方法有助于指出 PARP 药物与许多不同蛋白激酶相互作用的潜力，但精确的预测能力有限——这表明需要进一步增强该方法以用于未来应用程序。

　　使用蛋白质结合技术平台筛选与数百种激酶的相互作用，我们发现四种获批的 PARP 抑制剂药物中的两种能够直接与许多蛋白激酶相互作用——rucaparib 与 37 种蛋白激酶结合，niraparib 与 23 种蛋白激酶相互作用，其中只有15个是共同的。相比之下，talazoparib 仅与两种激酶结合较弱，而 olaparib 与测试的 392 种激酶中的任何一种均未显着结合，占整个人类激酶组的 76%。

　　然后，我们使用高通量测定进行了进一步的后续研究，以测量 PARP 抑制剂药物不仅与蛋白激酶结合的能力，而且在无细胞生化测定中阻断所选激酶的功能催化活性的能力。纯化的蛋白质。特别令人感兴趣的是，发现 rucaparib 能有效抑制三种激酶——CDK16、PIM3 和 DYRK1B——而尼拉帕尼被证明能强烈抑制两种激酶，DRK1B 和 DIRK1A。

　　如上所述，这是第一次有报道称 PARP 抑制剂具有如此强大的脱靶效应——在药物暴露低于 1 微摩尔水平时抑制激酶。这种浓度通常在患者中观察到，强调了潜在的临床相关性。

　　接下来，我们使用所谓的 NanoBRET 分析平台测试了 rucaparib 和 Niraparib 是否可以在活细胞内保持其有效的激酶结合。重要的是，我们证明了 rucaparib 对 CDK16 和尼拉帕利对 DYRK1A 的结合在活细胞中的结合，在 200-230nM 范围内抑制了 50%。正如早期分析所预期的那样，奥拉帕尼在活细胞检测中没有活性。

       脱靶激酶抑制对临床副作用的潜在影响

　　我们的研究表明，四种获批的 PARP 抑制剂药物虽然在临床上同样有效，但实际上表现出超出预期目标的不同分子效应。

　　需要指出的是，rucaparib 和尼拉帕尼与激酶的结合不如它们与 PARP1 和 PARP2 的结合有效。尽管如此，它足以考虑可能的后果，包括对不利影响的潜在贡献。

　　作为第一步并激发更多兴趣，我们从四种 PARP 抑制剂药物的临床试验数据中汇总了不良反应的概述。这说明虽然有共同的副作用，但每种药物都有不同的副作用。

　　我们建议需要进一步研究来解决这些不同的特征是否可能与不同的脱靶激酶抑制有关。

      未来应用

　　我们认为我们的发现很重要，因为它们应该为 PARP 抑制剂在许多可能的方向上的未来研究提供信息，包括可能有助于指导它们在临床中的应用——例如，在考虑与免疫疗法等药物组合时。

　　我们还相信，我们在这里研究“分子混杂”的方法可以应用于其他药物，以更好地了解它们的分子和临床效应，并可能通过多药理学最大限度地提高它们为患者带来的益处。

　　在“设计多药理学”方法中优化针对 PARP 和激酶家族目标的任何所需的双重活性可能是可行的。

　　我们在该出版物中建议的一个想法是利用尼拉帕利对 DIRK1A激酶的有效活性，该 DIRK1A激酶与唐氏综合症儿童的急性淋巴细胞白血病相关。

　　药物设计者还可以利用 PARP 抑制剂对激酶的活性来生产作用于“暗激酶组”的新药物——这是目前没有抑制剂可用的大量激酶。

　　通常，药物具有脱靶效应这一事实可能被视为负面影响——这可能是真的。但事实上，药物具有多种分子相互作用是很常见的，就像我们在这里看到的那样，可以促进治疗效果。例如，作为其作用机制的一部分，许多抗癌剂会击中几种导致癌症的激酶。

　　其他研究人员最近的两项研究阐明了药物如何发挥分子相互作用，这些相互作用只有在它们被批准广泛使用后才被发现。

　　其中一篇发表在《科学转化医学》上，CRISPR 基因敲除技术的使用表明，对于几种正在进行临床试验的药物，提议的主要靶标实际上并不是癌细胞存活所必需的。此外，研究人员表明，这些药物在癌细胞中保留了活性，其中提议的分子靶标被 CRISPR 敲除。结果表明，这些新的开发药物必须通过作用于不同的、迄今为止未曾预料的分子靶点来发挥其治疗作用。

　　现在可以将敲除靶标对被认为主要通过该靶标起作用的癌细胞反应的影响添加到靶标验证工具箱中 - 另一种方法是证明含有靶标突变形式的癌细胞的抗性更长时间地结合药物。

　　在预印本服务器bioRxiv上发表的第二项研究中，研究人员一方面比较了大量 397 种实际药物或原型药物的作用，另一方面比较了全基因组 CRISPR 敲除特定药物的作用。一组 484 个人类癌症系中的基因——已经对其遗传特征进行了广泛和系统的表征。结果既引人入胜又信息丰富。

　　研究人员查看了有关建议靶标的信息以及可用于该靶标的 CRISPR 敲除数据的药物，研究人员发现，只有四分之一的受试药物的药物敏感性与标称靶标之间存在显着相关性。当考虑与标称目标本身或功能相关蛋白质的关联时，这增加到大约一半。这留下了 50% 的药物，其中表面上的靶标与癌细胞敏感性之间没有关联。

　　即使考虑到浓度依赖性的、可能不完全的药理学抑制与 CRISPR 的总基因敲除在机制上不同的事实，这也留下了非常高比例的药物，无法通过对单个分子靶点的作用来解释癌细胞敏感性。

　　对两个或多个药物靶点(多药理学)的作用似乎很可能是一个主要因素。

       对化学探针和药物的影响

　　脱靶效应的发生不仅对患者使用药物很重要，而且对药物和其他小分子药物作为化学探针在实验室研究中的应用也很重要，旨在确定特定蛋白质在生物学和疾病机制中的作用.为了自信地使用化学探针并避免误导性结果，化学工具化合物对预期目标尽可能具有选择性是至关重要的——并且记录和减轻任何脱靶效应。

　　大规模筛选平台和在线资源的可用性使得评估药物和探针的靶向和脱靶效应的能力变得更加容易。强烈建议使用这些。

　　在我们对 PARP 抑制剂的研究中，如果认为避免对激酶的脱靶效应很重要，奥拉帕尼将优于其他三种被评估为 PARP1 和 2 化学探针的药物。

　　因此，无论是考虑为患者开发药物还是为生物医学研究开发探针，了解您的靶向和脱靶效应都是必不可少的。

　　问题不在于你认为你知道的目标效应，而是你一无所知的脱靶效应。

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