合成致死：从概念验证到PARP抑制剂的上市

温馨提示，吸收专业知识前，可以先看看科普文章了解背景知识：从粉红丝带到BRCA基因突变---它离我们很远而又很近，请了解它，然后关爱女性健康

1

WHAT？ 合成致死

目前，恶性肿瘤的靶向治疗通常是针对 “癌基因成瘾”。其中最典型的例子是，约90%的慢性粒细胞白血病（CML）患者均存在BCR/ABL融合基因，而肿瘤细胞正是依赖这个基因产生的蛋白生存，对于正常细胞，它们并不依赖于该基因。因此，靶向BCR/ABL的imatinib能够显著延长CML患者的生存期，同时对正常细胞的毒性较小。

名词解释   “癌基因成瘾”，是指肿瘤细胞依赖于某个活化的癌基因生存

另一种肿瘤的治疗概念是合成致死，是期望达到只杀伤肿瘤细胞，而对正常细胞无明显影响的目的。这个概念已被成功用于PARP抑制剂治疗BRCA 1/2突变的卵巢癌。

名词解释  “合成致死”，是指当基因A的功能缺失时，细胞依赖基因B生存，即抑制基因B同时基因A功能缺失导致细胞死亡，但仅在基因A功能缺失或单独抑制基因B的情况下均不影响细胞生存。

▲癌基因成瘾与合成致死

2

DDR中的合成致死：家族遗传性BRCA突变与PARP抑制剂

各种内源、外源性因素都会导致细胞DNA损伤，细胞通过一系列的分子途径：DNA损伤应答（DDR）识别DNA损伤 >>> 阻止细胞周期 >>> 介导DNA修复 >>> 保持细胞基因组的完整以及稳定。其中聚（ADP-核糖）聚合酶（简称PARP，主要是PARP1和PARP2）是DDR中的关键蛋白之一。PARP1能够识别DNA单链断裂（SSB），当它结合在单链断裂位点时，会激活其催化功能，合成多聚ADP核糖链（PAR）并组装在一些蛋白上（PARylation），从而募集DNA损伤修复蛋白到损伤位点修复损伤的DNA。最终，PARP自身也会组装上PAR，使其从修复完成的DNA上解离。

在了解了PARP的功能之后，PARP抑制剂被逐渐开发出来。科学家们起初开发PARP抑制剂是希望它们能够增敏传统的DNA损伤疗法，包括多种化疗药物以及放疗，这是PARP抑制剂另一种合成致死方式，称为“PARP trapping”，后文将做详细介绍。直到2005年，两个课题组同时报道了PARP抑制剂和BRCA1/2功能缺失突变的合成致死，展现了一种对携带BRCA突变肿瘤全新的治疗概念。

▲PARP与DNA受损部位结合

携带家族遗传性BRCA1或BRCA2突变的人群发生恶性肿瘤的风险显著提高，特别是乳腺癌和卵巢癌。BRCA1和BRCA2均是DNA双链断裂（DSB）同源重组修复（HRR）的关键蛋白，对于家族遗传性乳腺癌患者，通常是因为遗传了BRCA1或BRCA2基因中一个同源染色体上的功能缺失型突变（杂合突变，BRCA⁺/^-），在生命过程中，一些细胞会丢失另外一个同源染色体上的BRCA1或BRCA2的功能，成为纯合突变（BRCA^-/^-），BRCA功能的丧失导致HRR功能缺失，DNA双链断裂修复受阻，引起基因组不稳定，从而引发肿瘤。但其它BRCA杂合突变（BRCA⁺/^-）的细胞仍能正常产生BRCA蛋白，参与DNA双链断裂修复。

肿瘤细胞中每天会产生约10⁴个SSB，这些损伤需要PARP介导的修复过程修复，当PARP活性受到抑制时，SSB持续累积，在DNA复制的过程中，DNA单链断裂转变为DNA双链断裂，而复制过程中产生的DSB主要依赖于HR修复。对于BRCA1/2突变的肿瘤患者，肿瘤细胞HRR功能缺失，DSB修复无法完成，而大量的DSB累积造成DNA复制崩溃，细胞死亡。相比于BRCA功能完善的肿瘤细胞，BRCA功能缺失的肿瘤细胞对PARP抑制剂的敏感性是前者的约1000倍。对于这些患者的正常细胞，由于只携带了杂合BRCA突变，可以产生功能正常的BRCA蛋白，因此，PARP抑制剂对它们影响较小。这是科学家们对PARP抑制剂合成致死的最初认识。

在后续的研究中，科学家们发现， Talazoparib和Olaparib在PARP催化活性上的抑制率相当，但Talazoparib对BRCA突变的肿瘤细胞的细胞毒显著高于Olaparib。另外，在BRCA功能正常的细胞株中，联合使用无细胞毒的DNA损伤剂甲磺酸甲酯（MMS）和PARP抑制剂，也产生合成致死。后经研究发现，PARP抑制剂不仅能够抑制PARP的催化活性，还能够稳定PARP蛋白和DNA的复合物，称为“PARP trapping”。当产生DNA单链断裂时，PARP蛋白会结合在断裂位点，这时PARP抑制剂和PARP结合，使PARP的催化功能丧失，影响了PARP自身的PARylation，导致PARP蛋白无法从DNA上解离。这里，PARP像一把挂在DNA上的锁，而PARP抑制剂像一把断在锁芯中的钥匙，它牢固的结合在锁芯中，却无法开锁，同时也阻止其他钥匙开锁。因此，PARP抑制剂使PARP和DNA形成稳定的复合物，而PARP-DNA复合物具有强烈的细胞毒性，最终引起细胞死亡。前面提到，MMS是一种DNA损伤试剂，能够增加DNA单链断裂数目，这样PARP抑制剂可以造成更多的“PARP trapping”，因此对BRCA功能正常的细胞也有合成致死效应。虽然Talazoparib、Niraparib、Olaparib和Niraparib对PARP催化抑制活性相当，但“PARP trapping”的能力有很大差别，Talazoparib的“PARP trapping”能力最强，约为Olaparib的100倍，其次是Niraparib，而Veliparib最弱。这也部分解释了PARP抑制活性相当的PARP抑制剂对BRCA突变的肿瘤细胞具有不同的细胞毒的原因。

▲PARP抑制剂的作用机理

3

PARP抑制剂的临床现状

 PARP的主要功能是催化PAR的合成，使多种DNA修复蛋白PARylation，参与DNA修复，它的底物的辅酶I（NAD⁺），经典的PARP抑制剂是结合在PARP的底物结合域，因此PARP抑制剂都是其底物类似物。几乎所有的PARP抑制剂都有芳酰胺部分，来模拟NAD⁺中的烟酰胺，从而竞争性的阻断PARP的催化活性。PARP抑制剂最初进入临床试验是和化疗药物temozolimide构成的联合疗法，随着PARP抑制剂和BRCA突变肿瘤合成致死的研究被报道之后，PARP抑制剂在临床上被用于治疗BRCA1/2突变的乳腺癌和卵巢癌患者。目前，已经有3个PARP抑制剂被FDA批准上市，数十种PARP抑制剂在各阶段临床试验，下面分别予以介绍。

▲PARP抑制剂

Olaparib

Olaparib是AstraZeneca公司开发的PARP抑制剂，2014年12月19日，FDA批准其用于治疗既往接受过两次以上治疗且携带种系BRCA突变的晚期卵巢癌患者，这是第一种利用合成致死概念获得FDA批准的抗肿瘤药物。2015年，诺贝尔化学奖颁给了研究DNA损伤修复的科学家，也是对这一治疗概念的肯定。临床研究发现，对于能够从铂类化疗药物中获益的BRCA突变的卵巢癌患者，Olaparib对他们同样有效，而对铂不敏感的卵巢癌患者对Olaparib通常无响应，说明两种疗法可能基于同样的机理。在近期的一项大型III期临床试验中，携带种系BRCA突变且对铂类化疗药物敏感的复发性卵巢癌接受Olaparib治疗（300 mg片剂，每日2次）的患者，中位无进展生存期高达30.2个月，而安慰剂组仅为5.5个月，常见的副作用是头晕、乏力、呕吐、贫血中性粒细胞减少以及血小板减少等，与之前报道的副作用较为一致，这说明了Olaparib作为维持疗法治疗携带BRCA突变的复发性卵巢癌的潜力。目前，Olaparib有多个针对不同肿瘤的临床试验正在进行。

▲Olaparib

Rucaparib

Clovis公司的PARP抑制剂Rucaparib是最早推向临床试验的PARP抑制剂。2016年12月19日，Rucaparib被FDA批准用于治疗携带种系或体细胞BRCA基因突变且至少接受过两种治疗方案的晚期卵巢癌，该上市批准依据的是一项106名患者的III期临床试验，患者接受600毫克每天的口服治疗，客观缓解率（ORR）为54%，完全缓解（CR）9%，中位持续缓解时间为9.2个月。这些卵巢癌患者对铂类化疗药物的敏感性和对Rucaparib的敏感性高度一致，铂类敏感患者ORR为66%，铂类抵抗患者为25%，铂类难治性患者为0%。常见的副作用是恶心、疲劳、贫血等。但Rucaparib可能存在潜在的治疗风险，包括骨髓增生异常综合征、急性髓细胞白血病以及胎儿异常。在之前的研究中发现，相比于Olaparib和Talazoparib，高浓度的Rucaparib会产生脱靶的细胞毒效应，但是目前并不清楚这些脱靶效应是否是引起其毒副作用的主要原因。

▲Rucaparib

Niraparib

Tesaro公司的PARP抑制剂Niraparib针对铂敏感的晚期卵巢癌III期临床试验已经完成，于2017年3月27日被FDA批准上市，用于接受铂类药物治疗后完全应答或部分应答但又复发的成人卵巢上皮癌、输卵管癌和原发性腹膜癌的维持治疗，而且无需检测BRCA基因型。在III期临床试验中，203例既往接受至少2种铂类为基础治疗且携带BRCA突变的患者，接受每日300毫克Niraparib治疗的患者，和安慰剂组相比，中位无进展生存期显著延长（Niraparib组21.0个月 vs 安慰剂组5.5个月）。和Olaparib和Rucaparib不同的是，Niraparib的临床实验不仅将BRCA突变的卵巢癌患者纳入组中，还选取了350例不携带BRCA突变患者，研究发现，这组患者中位无进展生存期为9.3个月，安慰剂组为3.9个月，其中不携带BRCA突变但存在HRR缺陷的患者，Niraparib组中位无进展生存期为12.9个月，相比安慰剂组3.8个月明显改善。这表明，Niraparib不仅对BRCA突变的肿瘤具有合成致死效应，和其他DNA双链修复缺陷也形成合成致死。常见的3-4级不良反应为血小板减少、贫血以及中性粒细胞减少。

▲Niraparib

Talazoparib

Talazoparib的多个临床试验正在进行中，其中包括针对携带BRCA突变的晚期乳腺癌III期临床试验。在之前的一项临床试验中，13名携带BRCA1/2突变的乳腺癌患者接受Talazoparib的新辅助治疗，两个月后，所有患者的肿瘤均缩小，目前这一疗法正在进行4-6个月新辅助治疗的临床试验。在临床前研究中发现，Talazoparib具有卓越的PARP trapping能力，其对BRCA突变肿瘤细胞的毒性是Niraparib的100倍。因此在临床试验中，Talazoparib的临床剂量非常低，仅每日1 mg。

▲Talazoparib的结构式，正在多项临床测试中

Iniparib

Iniparib曾经被认为是PARP抑制剂，并且和传统PARP抑制剂作用机理不同。在II期临床试验中Iniparib与吉西他滨及卡铂联合使用治疗三阴性乳腺癌取得了令人瞩目的效果，能够增加无进展生存期和总生存期，且不增加毒性。然而，非小细胞肺癌和铂耐药卵巢癌的III期临床试验均告失败。而且，该分子不能选择性的杀伤BRCA突变的肿瘤细胞。经过详细的研究，最终发现Iniparib不是真正意义上的PARP抑制剂，它的抗肿瘤活性不是因为抑制PARP引起。Iniparib和Olaparib的几个大型III期临床试验失败使当时的制药公司对PARP抑制剂的热情减弱，AstraZeneca终止了PARP计划，其他的一些大型制药公司也贱价出售了它们的PARP产品。之后，AstraZeneca公司从以往的临床数据中发现，对于BRCA突变的肿瘤，PARP抑制剂具有卓越的疗效，并重启了Olaparib治疗携带BRCA突变卵巢癌的III期临床试验，使人们重新对这类药物提起兴趣。Iniparib也成为药物开发中的典型反例。

▲Iniparib 后被证实不是PARP抑制剂

4

展望

PARP抑制剂用于治疗BRCA突变的肿瘤成功将合成致死这一治疗概念应用于肿瘤的治疗，但目前PARP抑制剂的应用已经不局限于BRCA突变的肿瘤，具有HRR功能缺失的肿瘤，PARP抑制剂同样使患者受益。对于不携带BRCA突变的肿瘤细胞，其他DNA修复过程的基因突变也可能导致细胞HRR功能缺失，从而对PARP抑制剂敏感。在一项II期临床试验中，约30%的去势抵抗的转移性前列腺癌患者对Olaparib的治疗有响应，而这部分患者的肿瘤中半数具有BRCA2或ATM（一种DNA双链断裂修复响应蛋白）功能缺失。另一项Olaparib针对转移性胰腺癌的II期临床试验正在招募患者，该临床试验的要求患者携带BRCA、RAD51或ATM突变，这些都是HRR的关键蛋白。另外，一些晚期卵巢癌患者虽然不携带DNA修复的基因突变，但他们的肿瘤中存在BRCA1或RAD51启动子高甲基化现象，这一表观遗传学的改变会使BRCA1和RAD51基因沉默，同样造成HRR功能缺失，这部分患者也受益于PARP抑制剂。在一项Rucaparib的II期临床试验中，BRCA1和RAD51启动子高甲基化的患者被纳入治疗组，其ORR为48%。因此，PARP抑制剂合成致死的概念有望推广到其他类型的肿瘤治疗中，使更多的肿瘤患者从中获益。

目前PARP抑制剂仍然面临着许多挑战。第一， PARP抑制剂的适应症的扩展。通过进一步的挖掘和分析PARP的抗肿瘤作用机理，找出更精准的生物标志物实现个体精准化治疗，是PARP抑制剂扩大适应症的关键；第二，克服肿瘤细胞对PARP抑制剂的耐药性。这一点上，需要研究PARP抑制剂产生耐药的具体分子机制，例如BRCA基因的次级突变使HRR功能恢复，或PARP基因突变导致PARP抑制剂和PARP蛋白的作用力下降等。针对这些问题，发现临床手段来延缓或阻止耐药性的产生；第三，优化PARP抑制剂和其他药物的联合疗法。PARP抑制剂最早设计出来是用来组合化疗药物来增加疗效。然而，通过长时间的临床试验发现，这些组合存在各种问题，结果也大多令人失望。由于毒性过大、联合用药疗效没有显著提高等因素，许多PARP抑制剂和化疗药物的组合疗法在III期临床试验都失败了。获得成功的组合疗法，需要深入研究药物组合产生协同抗肿瘤的作用机理，从而合理设计和发现新的PARP抑制剂的联合疗法。相信在不久的将来，PARP抑制剂可以惠及更多的肿瘤患者，使他们生命延长，生活质量更好。

参考文献：

  (1) Bryant, H. E.; Schultz, N.; Thomas, H. D.; Parker, K. M.; Flower, D.; Lopez, E.; Kyle, S.; Meuth, M.; Curtin, N. J.; Helleday, T. Nature 2005, 434, 913.

  (2) Farmer, H.; Mccabe, N.; Lord,C. J.; Tutt, A.; Johnson, D. A.; Richardson, T. B.; Santarosa, M.; Dillon, K.J.; Hickson, I.; Knights, C.; Martin, N.; Jackson, S. P.; Smith, G.; Ashworth,A. Nature 2005, 434, 917.

  (3) Murai, J.; Huang, S. Y. N.;Das, B. B.; Renaud, A.; Zhang, Y.; Doroshow, J. H.; Ji, J.; Takeda, S.;Pommier, Y. Cancer Res. 2012, 72, 5588.

  (4) Naipal, K. A.; van Gent, D. C. Pers.Med. 2015, 12, 139.

  (5) Mirza, M. R.; Monk, B. J.;Herrstedt, J.; Oza, A. M.; Mahner, S.; Redondo, A.; Fabbro, M.; Ledermann, J.A.; Lorusso, D.; Vergote, I.; Ben-Baruch, N. E.; Marth, C.; Madry, R.;Christensen, R. D.; Berek, J. S.; Dorum, A.; Tinker, A. V.; du Bois, A.;Gonzalez-Martin, A.; Follana, P.; Benigno, B.; Rosenberg, P.; Gilbert, L.;Rimel, B. J.; Buscema, J.; Balser, J. P.; Agarwal, S.; Matulonis, U. A. NEngl J Med 2016, 375, 2154.

  (6) Syed, Y. Y. Drugs 2017,77, 585.

  (7) Patel, A. G.; De Lorenzo, S.B.; Flatten, K. S.; Poirier, G. G.; Kaufmann, S. H. Clin. Cancer Res. 2012,18, 1655.

相关链接：从粉红丝带到BRCA基因突变---它离我们很远而又很近，请了解它，然后关爱女性健康

相关链接：敬礼一带一路，览博知道线下沙龙走出上海外高桥，第一站，南京！

相关链接：向乳腺癌宣战，NASA也来了

连接全球科学家与优质供应商，创建经济有效的科研用品交易平台

览博网