前言
针对KRAS G12C抑制剂的研发是目前非小细胞肺癌（NSCLC）中的热门赛道之一，为助力读者更好地了解KRAS G12C抑制剂的研发历程，医脉通特基于《KRAS G12C破译之旅》专题整理相关系列文章。在前期内容中，已为大家详细介绍了KRAS突变包括KRAS G12C晚期NSCLC的治疗困境与靶向治疗艰难探索，本期内容将为您带来KRAS G12C的成药机制及研发现状。
虽难必行，KRAS G12C抑制剂研发之路
历尽艰辛终迎曙光
在NSCLC患者中，KRAS突变在欧美人群中约占30%，在亚裔包括中国人群中约占10%[1,2]。在KRAS突变NSCLC患者中，又以KRAS G12C突变亚型最为常见，在欧美人群中约占40%，在亚裔人群中约占30%[2,3]。尽管KRAS是NSCLC中最早被发现的致癌基因，但在过去近40年时间[4]，一直未开发出有效的KRAS蛋白抑制剂。
EGFR突变、ALK/ROS1/RET/NTRK融合、MET等靶点药物均为酪氨酸激酶抑制剂（TKIs），TKI通过竞争结合ATP受体抑制酪氨酸激酶磷酸化，从而抑制下游通路的激活，遏制肿瘤细胞过度增殖。KRAS蛋白是一种小GTP酶，负责细胞内信号传导，通过GTP和GDP转换调节其活性状态。KRAS 突变会使其与GTP水解效率降低，导致KRAS蛋白长时间处于GTP结合的活化状态。由于KRAS蛋白和GTP/GDP结合亲和力极高，因此使得竞争结合抑制剂的开发变得十分困难；此外，KRAS蛋白表面光滑，缺乏深层或药理学上可操作的小分子结合口袋[5,6],以上原因使得针对KRAS靶点的探索迟迟未取得突破性进展。
然而，在2013年，来自加州大学旧金山分校的Shokat教授团队发表在《Nature》上的一篇文章为KRAS G12C靶点的破局带来曙光，该团队致力于KRAS及其他难成药靶点的药物研发，首次揭示了利用小分子共价结合KRAS G12C突变体的可行性[7]。研究者利用半胱氨酸（Cys）巯基（-SH）独特的亲核性，探索了Cys反应性小分子[7]。基于二硫化物片段筛选法（称为Tethering）在GDP结合状态下利用完整蛋白质质谱法筛选了包含480个二硫片段的文库，鉴定出片段6H05和2E07。选取最优片段6H05进行构效关系研究，进一步得到了高活性化合物 (6)（图1）[7]。化合物6的结合模式从Cys12延伸到主要由Switch-II组成的相邻口袋中。研究者将该复合结合区定义为Switch-II pocket（S-IIP）[7]。为充分占据S-IIP空腔，随后研究者将二硫化物部分转向碳基亲电剂，丙烯酰胺和乙烯基磺酰胺，得到了高效的丙烯酰胺类化合物，其中化合物12活性较佳（图2）[7]。优化的化合物12通过丙烯酰胺结构和Cys的巯基形成共价键，从而将KRAS蛋白锁定在非活性状态，为后续探索奠定了基础，同时S-IIP的发现也进一步催生了系列靶向KRAS G12C突变体的小分子共价抑制剂的产生。
图1. Tethering化合物选择性结合致癌性K-Ras(G12C)
图2. 丙烯酰胺类似物子集
2016年，Matthew P等人在化合物12的基础上进一步优化出ARS-853（图3）。生化测定显示，ARS-853与KRAS G12C的结合速率常数较化合物12提高600多倍，细胞结合IC50 6小时为1.6μmol/L[8]。但ARS-853系列化合物存在血浆代谢稳定性短以及小鼠口服生物利用度差等缺点，无法用于进一步的体内研究[9]。因此，研究者进一步创造性地优化出喹唑啉母核系列，其中最受关注的是ARS-1620，其与KRAS G12C结合的共晶结构揭示了从最初S-IIP KRAS G12C抑制剂到Cys-12的独特结合模式和轨迹，并揭示了与His-95额外的关键相互作用，进而导致了比ARS-853系列化合物更刚性、更有利的共价反应构象（图4）。在生化实验中，ARS-1620共价修饰KRAS G12C的效率较ARS-853提高10倍。其在小鼠体内也表现出较好的口服生物利用度和足够的血液稳定性，并在PDX肿瘤模型中证明了其良好的抗肿瘤活性[9]。ARS-1620首次展现出体内疗效，成为KRAS G12C抑制剂研发历程中的重要过渡分子，后续KRAS G12C抑制剂大多在其基础上进行改造。
图3. ARS-853结构式
图4. ARS-1620的基本特征
大家所熟知的Sotorasib的出现同样借鉴了ARS-1620。早在Shokat等人披露研究成果之前，Amgen公司已开始布局KRAS G12C的共价抑制剂研究。Amgen与 Carmot Therapeutics合作获得了化合物1，化合物1与GDP-KRAS G12C共晶结构显示，相对于ARS-1620，其四氢异喹啉环占据了KRAS表面先前未被开发的隐袋，该口袋由H95，Y96和Q99组成（图5）[10]。但化合物1在啮齿动物模型系统中存在较高的清除率和较低的口服生物利用度，并不适合在体内使用[10]。因此，在ARS-1620报道后，Amgen将化合物1和ARS-1620采用结合模式，取代ARS-1620的喹唑啉氮（N1）可能会提供进入H95隐袋的替代手段，从而产生新的KRAS G12C增强效价抑制剂。研究者后续制备了一系列酞嗪类似物验证假设，其中酞嗪核心(X=N，Y=C)的C4位置(Y)被一系列芳基取代。为进一步优化结构，在2的苯环上添加了一系列越来越大的邻位取代基。其中化合物9在体外实验中表现出较强活性，以此为基础，对哌嗪取代基（R2）和亲脂端基（R1）区域进行优化。进一步从化合物18选出化合物（R）-24，最后优选出（R)-38（图6）。基于（R)-38展现出优异的药理特征以及体内疗效，其被命名为AMG 510，即Sotorasib[10]。
图5. ARS-1620、化合物1与GDP-KRAS G12C结合模式比较
图6. AMG 510结构的优化过程
百花齐放，KRAS G12C抑制剂NSCLC领域探索征途漫漫前景可期
在精准治疗的背景下，为进一步丰富患者的治疗选择，目前多款依托于药物结构改造以提升药效的KRAS G12C抑制剂均处于研发阶段。且研究探索从经治KRAS G12C突变晚期NSCLC患者的后线治疗正逐步向一线治疗探索。前路可期，随着后续更多研究数据的披露，KRAS G12C突变晚期NSCLC患者有望实现更长久生存。
表1. NSCLC领域KRAS G12C抑制剂汇总
小结
从Shokat课题组发现小分子共价结合KRAS G12C突变体的可行性到全球首款KRAS G12C抑制剂上市，再到我国首款KRAS G12C抑制剂氟泽雷塞的上市，KRAS G12C抑制剂正在不断续写晚期NSCLC的精准治疗新篇章。相信随着更多KRAS G12C抑制剂的涌入以及多种一线联合治疗模式的探索，这些新型疗法能够助力KRAS突变晚期NSCLC患者实现更长生存。
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期
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告
KRAS G12C破译之旅——第3站：中国力量，氟泽雷塞点亮我国KRAS G12C突变晚期NSCLC患者精准治疗新希望！
往期回顾
编辑：Shirley
审校：Shirley
排版：Yian
执行：Uni
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