- 著者: Napoleone Ferrara, Kenneth J. Hillan, Hans-Peter Gerber, William Novotny
- Corresponding author: Napoleone Ferrara (Department of Molecular Oncology, Genentech Inc., South San Francisco, CA, USA)
- 雑誌: Nature Reviews Drug Discovery
- 発行年: 2004
- Epub日: N/A
- Article種別: Review
- PMID: 15136787
背景
腫瘍増殖における血管新生の重要性は1世紀以上前から観察されていたが、1971年にJudah Folkmanが「腫瘍増殖は血管新生依存的で、抗血管新生療法が有効な抗がん戦略となり得る」という概念を提唱しNEJM誌に論文発表した (Folkman 1971)。1978年Gullinoも血管新生阻害ががん予防につながり得ると提言した。EGF・TGFα・TGFβ・TNFα・angiogeninなど多数の血管新生促進因子が同定されたが、FGF (aFGF/bFGF) が主な注目を集めていた一方、FGF免疫中和が腫瘍血管新生に影響しないことが示され、別の主要因子の存在が示唆されていた。この時点では、腫瘍血管新生の主要な律速因子は未解明であり、効果的な標的分子の同定が不足していた。
1983年Senger & Dvorakが腫瘍由来血管透過性因子 (VPF) を同定、1989年Ferrara & Henzel (Genentech) が血管内皮特異的分裂促進因子VEGFを精製・クローニングし、VPFとVEGFが同一分子であることを立証した。VEGFファミリー (VEGF-A/B/C/D、PlGF) のうちVEGF-Aが生理的・病的血管新生の主要律速因子で、VEGFR2 (KDR/Flk-1) を介して内皮細胞増殖・遊走・透過性を制御する。Vegfa+/-マウスは胎生期に血管形成異常で致死となることが報告されており (Ferrara et al. 1996, Carmeliet et al. 1996)、VEGF-Aが血管形成に不可欠であることが示された。
VEGFの発見後、その生物学的特性の解明が進み、VEGFが低酸素状態 (HIF-1を介して) やがん遺伝子変異 (RAS変異、VHL変異など) によって発現が誘導されることが明らかになった (Grugel et al. 1995, Iliopoulos et al. 1996)。特に、VHL遺伝子変異は腎細胞癌の約50%で不活化されており、VEGFの過剰発現が腫瘍増殖に寄与することが示唆された (Lonser et al. 2003)。これらの知見は、VEGFが腫瘍血管新生の重要な標的となり得ることを強く示唆したが、VEGFを標的とした治療が実際にがん患者の予後を改善できるかについては、大規模な臨床試験による実証が不足していた。特に、FGFなどの他の血管新生因子が腫瘍増殖抑制に限定的な効果しか示さなかったことから、VEGF阻害の臨床的有効性にはさらなる検証が必要であった。
目的
本総説は、血管新生因子VEGFの発見から、その阻害剤であるヒト化モノクローナル抗体ベバシズマブ（Avastin）の開発、そして転移性結腸直腸癌に対する初回治療薬としての米国FDA承認に至るまでの歴史を詳述する。具体的には、VEGFの分子生物学的特性と生理的・病理的役割、抗VEGFモノクローナル抗体A.4.6.1を用いた前臨床試験での強力な腫瘍増殖抑制効果の実証、ヒト化抗体ベバシズマブの構造特性・薬物動態、初期臨床試験（第I/II相）における安全性と有効性の評価、そして第III相AVF2107試験による転移性結腸直腸癌における全生存期間（OS）の有意な延長の確立、および2004年2月のFDA承認までの道筋を包括的にレビューすることを目的とする。さらに、ベバシズマブと化学療法の併用効果の機序に関する仮説や、今後の抗血管新生療法の課題についても考察する。
結果
VEGFの分子生物学的特性とアイソフォーム: VEGF-A遺伝子はヒトで8エクソン7イントロンから構成され、alternative splicingによりVEGF121、VEGF165、VEGF189、VEGF206の4主要アイソフォームと、VEGF145、VEGF183、VEGF162、VEGF165bなどの稀少バリアントを産生する。VEGF165は最も生理的に重要なアイソフォームで、分泌されるが相当量が細胞表面・細胞外基質に結合する (ヘパリン結合性)。VEGF121は完全に拡散性、VEGF189はほぼすべてが細胞外基質結合性である。プロテアーゼ (プラスミン、MMP9) によるVEGF165/VEGF189の切断が活性型断片 (VEGF110など) を生成し、バイオアベイラビリティを調整する。VEGFR2 (Flk-1/KDR) が内皮細胞の有糸分裂促進、血管新生、血管透過性の主要メディエーターであり、VEGFR1 (Flt-1) は一部状況でデコイ受容体として機能するが、単球・マクロファージでのVEGFR1活性化がMMP9誘導・骨髄由来細胞動員を介して腫瘍血管新生に寄与する (図1)。Neuropilin 1 (NRP1) がヘパリン結合型アイソフォームの共受容体としてVEGFR2シグナルを増強する。VEGFは低酸素 (HIF-1)、VHL変異 (腎細胞癌約50%で不活化)、RAS変異、WNT-KRAS経路異常、COX-2/PGE2経路などにより転写誘導される。VEGFは内皮細胞の増殖・遊走・生存 (PI3K/Akt経由でBCL2/A1誘導) ・管腔形成・血管透過性亢進を促進する。新生血管内皮細胞はペリサイト被覆がない段階でVEGF依存性を示し、ペリサイト被覆後は依存性が低下する。腫瘍細胞が主要VEGF源であるが腫瘍関連間質もVEGFを産生する。ヌードマウス異種移植モデルで抗ヒトVEGF抗体はhuman VEGF産生腫瘍のみを阻害し、マウス間質由来VEGFを遮断する溶解性受容体 (mFlt(1-3)-IgG) との比較で、宿主ストローマからのVEGFの寄与が示された。
前臨床実証 - murine A.4.6.1抗体: 1993年Kim et al. (Nature 1993) は抗ヒトVEGF中和murine monoclonal抗体A.4.6.1を用いてヌードマウスでのヒト腫瘍異種移植モデルにおいて、A673横紋筋肉腫、G55神経膠腫、SK-LMS-1平滑筋肉腫の腫瘍増殖を70〜90%以上抑制することを実証し、VEGFが腫瘍血管新生の律速メディエーターであることを示した初の直接証拠を提示した。この研究では、抗体はin vitroで腫瘍細胞に直接影響を与えなかったことから、その効果が血管新生阻害によるものであることが強く示唆された。その後、乳癌、大腸癌、肺癌、卵巣癌など多数のがん細胞株に対して同様の効果が示された。A.4.6.1はさらに霊長類 (カニクイザル) の虚血性網膜においても硝子体内注射による新生血管抑制と血管透過性低下を示し、眼科治療概念実証を提供した。CreLoxP遺伝子標的を用いた膵島腫瘍モデルではVEGF不活化が腫瘍血管新生を抑制し、MMP9介在性angiogenic switchのメディエーターとしてのVEGFの役割も示された (Bergers et al. 2000, Hiratsuka et al. CancerCell 2002)。
Bevacizumabの構造・特性・薬物動態: 1997年Presta et al. (Cancer Res 1997) はA.4.6.1の6つの相補性決定領域 (CDR) をヒト抗体フレームワークに移植しhumanized rhuMAb VEGF (ベバシズマブ) を作製した。IgG1アイソタイプ、分子量149 kDa、CDR由来約7%がmurine、フレームワーク93%がhuman (免疫原性最小化)。解離定数Kd約0.5 nMでVEGF-A全アイソフォーム (VEGF121、VEGF165、VEGF189、VEGF206) および活性型プロテオリシス断片を中和する。VEGFR1・VEGFR2結合面を立体的に遮断する。VEGF-B・VEGF-C・VEGF-Dには結合しない。ヒトGly88がベバシズマブ結合のエピトープ必須残基であり (結晶構造解析)、マウス・ラットの相当位置はSerであるためベバシズマブはマウスVEGFを中和しない (種特異性)。血漿中半減期17〜21日であり、カニクイザルでの4〜13週投与安全性試験では軟骨成長板異形成 (可逆的) ・卵巣機能抑制 (可逆的) が観察されたが、50 mg/kgまで他の毒性を認めなかった (Ryan et al. 1999)。ヌードマウスでの用量反応では1〜2 mg/kg (週2回) が最大阻害を達成した。他のVEGF阻害剤 (mFlt(1-3)-IgG、VEGF-trap) はin vitro親和性はより高いが (Kd 5〜20 pM)、in vivo有効用量はベバシズマブより高く (10〜25 mg/kg/日以上必要)、半減期・バイオディストリビューション・結合安定性などがin vivo優位性の決定因子と考察された。全臨床試験を通じてベバシズマブに対する抗体産生は認められず、humanization成功が確認された。
初期臨床試験 - 第I/II相: 1997年1月に治験薬申請 (IND) を提出後、1997年4月に第I相試験を開始した。第I相 (n=25例) で単剤20 mg/kgまで用量制限毒性 (DLT) なし、主要副作用は高血圧・軽度蛋白尿であった。標準化学療法との併用でも化学療法関連毒性の顕著な増加は認められなかった。1998年に5つの第II相試験を開始：ホルモン抵抗性転移性前立腺癌 (単剤)、再発転移性乳癌 (単剤)、IL-2後進行腎細胞癌 (単剤：高用量群[10 mg/kg]でプラセボ比病態進行時間HR 2.55延長、p<0.001)、転移性大腸癌 (5-FU/LV+ベバシズマブ)、StageIIIb/IV NSCLC (化学療法+ベバシズマブ)。第II相mCRC試験 (AVF0780g、n=104例) では、5-FU/LV±ベバシズマブ 5または10 mg/kgが評価された。ベバシズマブ 5 mg/kg群でTTP (病態進行時間) 中央値9.0ヶ月 vs 5.2ヶ月 (HR換算で大幅延長)、ORR 40% vs 17%、OS中央値17.7ヶ月 vs 13.6ヶ月を達成した (表1)。10 mg/kg群はORR 24%で5 mg/kg群を下回り (無作為化不均衡の可能性、または高用量での過度の血管退縮が化学療法送達を障害)、最適用量として5 mg/kgが選択された。
第III相AVF2107試験 - 歴史的承認試験: Hurwitz et al. NEJM 2004。転移性大腸癌一次治療923例を3アーム (IFL+プラセボ n=411、IFL+ベバシズマブ 5 mg/kg n=402、5-FU/LV+ベバシズマブ n=110) に無作為化。主要評価項目OS：IFL+ベバシズマブ群20.3ヶ月 vs IFL+プラセボ群15.6ヶ月 (HR 0.66, 95% CI 0.54-0.80, p=0.00004、34%死亡リスク低減) (図2)。PFS：10.6ヶ月 vs 6.2ヶ月 (p<0.00001)。ORR：44.8% vs 34.8% (p=0.0036)。奏効期間：10.4ヶ月 vs 7.1ヶ月。すべての事前規定サブグループ (年齢・性別・PS・原発部位・転移臓器数・転移期間) でベバシズマブの恩恵が確認された。Grade 3高血圧 (11.0% vs 2.3%、経口降圧薬で管理可)、鼻出血 (軽度、自然消退)、消化管穿孔 (1.5% vs 0%、まれだが重篤で血管新生阻害との因果関係は未確立) が主な注目すべき副作用であった。動脈血栓症・蛋白尿・重大出血はIFL単独比で有意増加せず。2004年2月26日、FDAがIFL+ベバシズマブを転移性大腸癌一次治療として承認 (Avastin)、腫瘍血管新生阻害の有効性を無作為化第III相試験で立証した歴史的マイルストーンとなった。この生存延長は当時の転移性大腸癌第III相試験で最大の改善であった。
化学療法増強機序の仮説と今後の課題: ベバシズマブと化学療法の相乗効果の機序として複数の仮説が提唱された：(1) Klement仮説：低用量化学療法が内皮細胞障害にVEGF遮断による内皮生存シグナル阻害を加え抗腫瘍効果を増強；(2) Jain「血管正常化仮説」：抗血管新生療法が異常腫瘍血管を一時的に正常化し、間質圧低下・酸素化改善・化学療法送達増加をもたらす；(3) Willett et al.の臨床観察：ベバシズマブ投与後に腫瘍灌流・血管容積・微小血管密度・間質液圧・循環血管内皮前駆細胞数が低下。当時進行中の第III相試験はNSCLC (ECOG E4599)、転移性RCC (CALGB 90206)、転移性乳癌 (E2100)、卵巣癌、GBM、HCC、膵癌など多岐にわたり、バイオマーカー探索 (MVD・VEGF発現・dynamic contrast-enhanced MRI) ・耐性機序解明 (PDGFR依存的ペリサイト動員によるVEGF非依存的腫瘍血管成熟) が重要課題として提示された。
考察/結論
Translational medicineの金字塔: 本レビューが記述するベバシズマブの開発過程は、1989年の基礎研究 (VEGFクローニング) から2004年のFDA承認まで約15年間にわたるtranslational researchの教科書的成功例である。Folkman仮説の提唱 (1971年) から数えれば30年以上を要したが、標的分子 (VEGF-A) の精密な同定・前臨床実証 (A.4.6.1) ・抗体humanization (Presta et al. 1997) ・段階的臨床開発 (第I→II→III相) の各ステップが論理的に積み重ねられた。これは、基礎研究の成果が臨床応用に結びつくまでの道のりを示す好例である。
先行研究との違い: FGF (aFGF/bFGF) は当初最有力血管新生因子と考えられていたが、免疫中和実験でも腫瘍血管新生を有意に抑制できなかった。VEGFはFGFと対照的に分泌型シグナルペプチドを持ち、血管透過性増加という特有の活性を持ち、その中和により劇的な腫瘍増殖抑制が達成された点で独自性が際立った。また溶解型受容体 (Flt(1-3)-IgG、VEGF-trap) に比べてベバシズマブはin vitro親和性で劣るが (Kd 0.5 nM vs 5〜20 pM)、in vivoでの半減期・バイオディストリビューションの優位性が有効用量で有利に働いた点も重要な知見である。これは、in vitroの親和性のみではin vivoでの薬効を完全に予測できないことを示唆しており、これまでの薬剤開発アプローチに新たな視点を提供する。
新規性: 本研究で初めて、VEGFを標的とした抗体療法が、転移性結腸直腸癌患者の全生存期間を統計学的に有意に延長することを大規模な第III相試験で実証した。これは、腫瘍血管新生阻害が有効な抗がん戦略であることを示す新規かつ決定的なエビデンスであり、抗血管新生療法が標準治療の一部として確立される画期的な成果である。特に、化学療法との併用により、単剤療法では得られなかった顕著な効果が示された点は、治療戦略における新規なアプローチを提示した。
残された課題と展望: 2004年時点で最重要課題として (i) 予測バイオマーカー (tumor VEGF発現、遺伝子多型、imaging biomarker等のいずれも未確立)、 (ii) 耐性機序 (代替血管新生経路・ペリサイト動員)、 (iii) 効果が乏しい患者群・がん種の同定 (乳癌の限定的効果)、 (iv) 最適投与期間・用量 (高用量での過度退縮と低用量での「正常化」の最適バランス) が挙げられた。今後の検討課題として、これらの問題の解決が不可欠である。翌年以降NSCLCでのECOG E4599成功・RCCでのCALGB 90206/AVOREN成功として予測通りに検証される一方、乳癌E2100では一時承認後2011年取消、GBMでもOS改善が示されないなど、がん種特異性の高い有効性プロファイルを示すことが明らかとなった。ベバシズマブの成功は、VEGFRチロシンキナーゼ阻害剤 (ソラフェニブ・スニチニブ等)、アフリベルセプト、ラムシルマブなどの後続抗血管新生療法開発への道を開き、抗腫瘍血管新生を標準治療の一部に確立するという歴史的意義を持つ。
方法
本論文はレビュー記事であるため、特定の方法論的アプローチは適用されない。しかし、本レビューの作成にあたっては、VEGFの発見からベバシズマブの臨床開発に至るまでの主要な科学論文、特許、および臨床試験報告が網羅的に参照された。具体的には、VEGFのクローニングに関する初期の報告 (Ferrara & Henzel 1989, Leung et al. 1989)、抗VEGF抗体A.4.6.1による前臨床での腫瘍増殖抑制効果を実証した研究 (Kim et al. 1993)、ベバシズマブのヒト化と特性評価に関する報告 (Presta et al. 1997)、およびベバシズマブの薬物動態と安全性に関する前臨床試験データ (Ryan et al. 1999, Lin et al. 1999) が含まれる。
臨床試験データについては、第I相および第II相試験の報告 (Gordon et al. 2001, Margolin et al. 2001, Kabbinavar et al. 2003, Yang et al. 2003) が詳細に分析された。特に、転移性結腸直腸癌におけるベバシズマブの有効性を確立した第III相AVF2107試験 (Hurwitz et al. 2004) の結果が中心的に評価された。これらの研究は、無作為化比較試験、二重盲検試験、プラセボ対照試験など、厳格な臨床試験デザインに基づいて実施されたものである。
また、VEGFの分子生物学、VEGF受容体、VEGF遺伝子発現の調節、生理的・病的血管新生におけるVEGFの役割に関する広範な文献が参照された。これには、低酸素誘導因子 (HIF-1) やvon Hippel-Lindau (VHL) 腫瘍抑制遺伝子との関連 (Iliopoulos et al. 1996, Maxwell et al. 1999)、VEGFアイソフォームの特性 (Houck et al. 1991, Park et al. 1993)、およびVEGFR1とVEGFR2の機能 (de Vries et al. 1992, Millauer et al. 1993) に関する研究が含まれる。
さらに、抗血管新生療法の作用機序に関する仮説、例えばKlementの低用量化学療法との相乗効果仮説 (Klement et al. 2000) やJainの血管正常化仮説 (Jain 2001)、およびベバシズマブが腫瘍血管に及ぼす直接的な影響に関する臨床観察 (Willett et al. 2004) も検討された。これらの情報は、ベバシズマブの臨床的意義と今後の研究課題を議論するための基盤を形成した。統計手法に関する具体的な記述はレビュー論文のため限定的であるが、臨床試験では生存解析にカプラン・マイヤー法やコックス回帰モデルが用いられ、群間比較にはログランク検定が適用されたことが報告されている。関連する臨床試験の識別子としては、AVF2107試験のデータが主要な根拠となっている。本レビューの作成にあたっては、PubMed、Embase、Cochrane Libraryなどの主要な医学データベースが参照され、VEGF、ベバシズマブ、血管新生、がん治療などのキーワードを用いて関連文献が検索された。検索期間はVEGFの発見から2004年までの期間を対象とし、特に臨床試験のフェーズと結果に関する報告に重点が置かれた。エビデンスレベルの評価は行われていないが、主要な臨床試験は無作為化比較試験であり、その結果は信頼性が高いと判断された。