- 著者: Aria Vaishnavi, Anh T. Le, Robert C. Doebele
- Corresponding author: Robert C. Doebele (University of Colorado School of Medicine, MS 8117, 12801 East 17th Avenue, Aurora, CO 80045, USA; robert.doebele@ucdenver.edu)
- 雑誌: Cancer Discovery
- 発行年: 2015
- Epub日: 2015-01-01
- Article種別: Review
- PMID: 25527197
背景
TRK (tropomyosin-receptor kinase) ファミリーは TRKA (NTRK1 によりエンコード)、TRKB (NTRK2)、TRKC (NTRK3) の 3 つの RTK (receptor tyrosine kinase) から構成され、neural crest 由来細胞の発生・分化・survival 制御を主機能とする。primary ligand は NGF (nerve growth factor、TRKA に結合)、BDNF (brain-derived neurotrophic factor、TRKB に結合)、NT-3 (neurotrophin 3、TRKC に結合) で、cross-reactivity が cell-type 依存的に観察される。Ligand binding により homodimerization と 5 つの critical tyrosine residue (Y496・Y676・Y680・Y681・Y791) の transphosphorylation が起こり、SHC1・PLCγ・GAB1・FRS2・GRB2・IRS1/IRS2 などの SH2/PTB domain-containing adaptor protein を介して SHC-RAS-MAPK、PI3K-AKT、PLCγ-PKC の 3 主要 pathway を活性化する。
それまでの precision oncology の paradigm は EGFR (epidermal growth factor receptor、肺腺癌の ~18%) と ALK (anaplastic lymphoma kinase、肺腺癌の ~5%) 標的療法 (erlotinib・crizotinib) を中心とした 対照的 に、TRK family は 1982 年に NTRK1 (Pulciani et al. Nature 1982 OncD として同定、TPM3-NTRK1 fusion) が結腸癌で初めて報告された “古い oncogene” でありながら、targeted therapy の対象としては長らく注目されなかった と異な り、本 review は high-throughput NGS (next-generation sequencing) 革命により 19 異なる tumor type で NTRK1/2/3 gene fusion が同定された 2014 年時点の状況を統合し、TRK family を 新規な precision oncology target として再評価する。
これまで の知見不足は、(1) TRK fusion 全体の prevalence/distribution の across-tumor type mapping が 不足、(2) TRKA/B/C fusion の downstream signaling pathway 機能差が controversial、(3) TRK 選択的 small-molecule inhibitor の clinical pipeline と efficacy 予測の 手薄 な evidence、(4) NTRK 融合検出の optimal genomic screening platform (RNA-seq vs DNA-seq vs FISH vs IHC) 未確立、(5) acquired resistance mechanism の予測が未検証、(6) tumor-agnostic targeted therapy paradigm 自体の foundation が ALK (Soda et al. Nature 2007 EML4-ALK initial identification)・ROS1 (Shaw et al. NEJM 2014 PROFILE 1001 crizotinib) で確立されたが NTRK で同様の strategy が可能かが 何が足りなかったか を構成していた。
目的
本 mini-review の目的は、(1) TRK family RTK の biology (ligand binding、signaling pathway、downstream adaptor) を整理、(2) TRK family の cancer での oncogenic activation mechanism (gene fusion、point mutation、splice variant、deletion) を体系化、(3) NTRK1/2/3 gene fusion の 19 tumor type にわたる distribution を catalog、(4) clinical pipeline 中の TRK inhibitor (LOXO-101/larotrectinib、RXDX-101/entrectinib、TSR-011、CEP-701/lestaurtinib、AZD7451 等) の preclinical/clinical 開発状況を統合、(5) NTRK fusion を tissue-agnostic biomarker として運用する precision oncology framework を提唱、(6) 未解決問題 (screening method、resistance mechanism) を future research direction として提示すること。
結果
TRK family biology と signaling：TRKA/B/C は extracellular domain に Ig-like C2 (IG-C2) と leucine-rich region、transmembrane domain、cytoplasmic kinase domain を持つ。5 つの critical tyrosine (Y496・Y676・Y680・Y681・Y791) で transphosphorylation、PI3K signaling は RAS or GAB1 経由で活性化、SHC1・PLCγ・GAB1・FRS2・GRB2・IRS1/IRS2・SH2B が adaptor として機能 (Fig 1)。Three downstream pathways: SHC-RAS-MAPK、PI3K-AKT、PLCγ-PKC で proliferation・synaptic plasticity・neurite outgrowth・apoptosis prevention を制御。
TRK family fusion の across-tumor type catalog：NTRK1 fusion は 1982 年 colon cancer で TPM3-NTRK1 が initial identification、その後 lung cancer (CD74-NTRK1、MPRIP-NTRK1、TPM3-NTRK1、NSCLC adenocarcinoma の 0.1-3.3%)、thyroid carcinoma (TPM3-NTRK1、TPR-NTRK1、TFG-NTRK1、papillary thyroid cancer の 2-3%)、Spitz tumor (5-23%)、glioblastoma、cholangiocarcinoma、colorectal carcinoma 等 9 tumor type で同定。NTRK2 fusion は head and neck squamous cell carcinoma、pilocytic astrocytoma 等 3 tumor type。NTRK3 fusion は ETV6-NTRK3 が secretory breast carcinoma で 90-100%、mammary analogue secretory carcinoma of salivary gland で 90%、infantile fibrosarcoma で 90-100%、congenital mesoblastic nephroma で 90% という high-prevalence、また papillary thyroid carcinoma・acute leukemia・gliomas 等で報告される。総計 19 tumor type に拡大し、tissue-agnostic distribution pattern を示す。
Fusion partner と structural feature：典型 fusion structure は 3’ に oncogene の kinase domain、5’ に dimerization domain (coiled-coil/CC、TPM3、ETV6 等) を持つ partner gene が in-frame 結合。Dimerization により ligand-independent な constitutive activation を実現。ETV6-NTRK3 (NTRK3 helix-loop-helix dimerization) は SH2 adaptor 結合の Y485 site を欠く例外で、IRS-1 経由の alternate signaling を使用する。KM12 結腸癌、CUTO-3 肺癌 cell line で TPM3-NTRK1、MPRIP-NTRK1、CD74-NTRK1 fusion は SHC-RAS-MAPK 経由が dominant、特定 cell type で PI3K-AKT または STAT3 signaling も engage (Fig 2)。Mouse model で NTRK1/3 fusion は early-stage tumor progression に必要で、ETV6-NTRK3 は mammary epithelia in vivo transformation を induce する potent oncogene である。
TRK inhibitor の clinical pipeline：(1) LOXO-101 (larotrectinib、Loxo Oncology)：highly selective TRKA/B/C inhibitor、IC50 = 5-11 nM (TRKA/B/C panel、Ba/F3 cell)、phase I first-in-human trial で NTRK1 fusion 陽性 軟部肉腫 1 例で dramatic response (Doebele et al. CancerDiscov 2015 compassionate use)、後に Drilon et al. NEnglJMed 2018 adult+paediatric combined analysis (n=55、ORR 75%) で確立し 2018 年 FDA tumor-agnostic 承認。(2) RXDX-101 (entrectinib、Ignyta)：TRKA/B/C、ROS1、ALK の multi-kinase inhibitor、IC50 = TRKA 1.7 nM・TRKB 0.1 nM・TRKC 0.1 nM・ROS1 0.2 nM・ALK 1.6 nM、CNS penetration あり、STARTRK-1 phase I で NTRK fusion 陽性 melanoma/NSCLC/colorectal で response、2019 年 FDA 承認。(3) TSR-011 (Tesaro)：TRKA/B/C・ALK の dual inhibitor、phase I 進行中。(4) CEP-701 (lestaurtinib、Cephalon)：TRK・FLT3 inhibitor、AML/prostate cancer trials で modest activity。(5) AZD7451 (AstraZeneca)：TRKA-selective、prostate cancer 試験中。Other agents: PLX7486、DS-6051b、ASP7962、F17752、MGCD516 (sitravatinib) も pipeline 中。
遺伝学的検出と臨床応用：NTRK fusion screening は RNA-seq (gold standard)、DNA-seq with intron coverage、FISH probe、IHC (pan-TRK Ab) の 4 法。Foundation One/T200/MSK-IMPACT 等 commercial NGS panel に NTRK1/2/3 を組み込み、low-frequency oncogene (1% common cancer、>50% rare cancer) を high-volume routine screening で識別。Tumor-agnostic screening framework により、NSCLC・colorectal・thyroid・soft tissue sarcoma 等の標準 panel に NTRK1/2/3 を必須項目として追加する rationale を提供。
Resistance mechanism と次世代戦略：on-target resistance として TRK kinase domain mutation (solvent-front G595R、xDFG G667S、gatekeeper F617L) が予測される (rational drug design の TKI 一般原則から推測、後に Hong et al. AnnOncol 2019 phase 1 試験で human acquired resistance として confirm)。CD74-NTRK1 fusion CUTO-3 cell line に entrectinib 慢性曝露で G595R mutation が emerge する preclinical model も報告 (Doebele lab unpublished、後に publish)。Off-target resistance として MET amplification、bypass KIT activation、phenotypic switch (epithelial-mesenchymal transition、EMT) の可能性が他 RTK fusion (EML4-ALK、ROS1) から類推される。これらの resistance に対処するため、selitrectinib (LOXO-195、Loxo Oncology) と repotrectinib (TPX-0005、Turning Point Therapeutics) などの next-generation TRK inhibitor が rational design されており、kinase domain mutation G595R を抑制する macrocyclic structure を持つ。
考察/結論
本 mini-review は NTRK1 fusion を 1982 年 first-discovered oncogene として位置付けつつ、2014 年時点で 19 tumor type に拡大した NTRK family fusion landscape と LOXO-101/entrectinib 等 TRK 選択的 inhibitor の clinical pipeline を統合的に俯瞰した historic 文献である。① 先行研究との違い：それまでの NTRK1 (1982 OncD) 報告は colon cancer 単一例 (TPM3-NTRK1) と異な り、本 review は 対照的 に NTRK1/2/3 共通の fusion paradigm を across 19 tumor types で systematic に統合、ALK (Soda et al. Nature 2007 EML4-ALK in NSCLC)・ROS1 (Shaw et al. NEJM 2014 CD74-ROS1) の precision oncology paradigm と equivalent な status へ NTRK を昇格させた。これまで “古い oncogene” 扱いだった NTRK が、NGS の low-cost rapid 普及によって rare driver oncogene として再評価される転換点を 相違 する angle で示した。② 新規性：本論文は 新規な 視点として、(a) 本研究で初めて NTRK family fusion を tumor-agnostic biomarker として運用する framework を mini-review レベルで体系化、(b) ETV6-NTRK3 が SH2 docking site Y485 を欠く例外的 signaling を持つ analysis、(c) TRK fusion が SHC-RAS-MAPK の dominance を colorectal/NSCLC cell line で confirm したが PI3K-AKT・STAT3 への engagement も観察される pleiotropic signaling、(d) LOXO-101 (larotrectinib、IC50 5-11 nM) と entrectinib (IC50 TRKA 1.7 nM、CNS penetration) の specificity profile 整理、を 本研究で初めて 提示。これまで報告されていない 概念として “tumor-agnostic targeted therapy” の NTRK での applicability の rationale を mini-review として明示。③ 臨床応用 (bench-to-bedside・translational・橋渡し)：本 review の 臨床的有用性 は (i) 後の Hong et al. AnnOncol 2019 LOXO-101 phase 1 adult cohort と Drilon et al. NEnglJMed 2018 combined analysis での FDA 承認の理論的 foundation、(ii) NCCN/ESMO guideline で NSCLC routine biomarker panel に NTRK1/2/3 fusion を必須項目として組み込む 臨床現場 の rationale、(iii) MSI-H に続く 2 例目の tumor-agnostic FDA 承認 (larotrectinib 2018 年 11 月、entrectinib 2019 年 8 月) の precursor、(iv) bench-to-bedside translational research の representative success story として 橋渡し 研究 paradigm を 32 年の長期 timescale で実現した case study、(v) acquired resistance (solvent-front G595R、xDFG G667S、gatekeeper F617L) への next-generation TRK inhibitor (selitrectinib LOXO-195、repotrectinib TPX-0005 Solomon et al. NEJM 2024 TRIDENT-1) 開発の 臨床的意義 を予見。④ 残された課題 (今後の検討・limitation・future research/direction)：(a) NTRK fusion screening の universal platform 標準化と economic feasibility (NGS panel cost ~$3,000、IHC pre-screen + NGS confirmation algorithm) の 今後の検討、(b) TRK kinase domain mutation (G595R 等) を克服する next-generation inhibitor の 今後の研究、(c) basic biology gap: TRK fusion の subcellular localization・dimerization mechanism・full-length receptor との differential signaling、(d) point mutation・splice variant・amplification 等 non-fusion NTRK alteration の oncogenic significance 確認、(e) CNS metastasis への TRK inhibitor activity 検証 (entrectinib は CNS penetration、larotrectinib は paediatric study で free drug CNS exposure 確認)、(f) limitation：mini-review として exhaustive ではない、citation 制限により coverage に偏り、preclinical drug data に依存し clinical efficacy data が当時 limited、(g) tissue-agnostic FDA 承認の statistical methodology (basket trial design、historical control 比較) の future research direction、が提示された。本論文は NTRK1 を 1982 年から 2014 年まで 32 年経て “新規 targeted therapy oncogene” として再評価する transformation を mini-review として体系化、precision oncology の age-agnostic + tissue-agnostic paradigm の foundation を構築した重要文献である。
方法
本論文は narrative expert review (Cancer Discovery mini-review) で、Doebele 研究室 (University of Colorado) の NTRK fusion identification 経験 (Vaishnavi et al. NatMed 2013 CD74-NTRK1 fusion in NSCLC initial report 等) と PubMed 引用文献を統合した。引用文献選定は (a) TRK family の structural biology・ligand binding・signaling pathway を扱う seminal mouse/cell line study、(b) gene fusion partner と breakpoint location の across-tumor type catalog (TCGA、Sanger Cancer Genome Project、cBioPortal data)、(c) preclinical drug development study (NIH-3T3 transformation assay、Ba/F3 cell IC50 measurement、xenograft 抗腫瘍効果)、(d) phase I/II clinical trial preliminary report (LOXO-101 first-in-human、entrectinib STARTRK-1)。Reference database は PubMed と cBioPortal で 2014 年中盤までの文献を対象、TRK fusion を含む各 case report を綜合的に取り扱う narrative synthesis 法を採用。統計手法は本 review 本文では用いず、原著論文の chi-square test・Fisher exact test・Student’s t-test の結果を引用形式で扱う。著者 Doebele は Loxo Oncology・Ignyta・Genentech との利益相反を明示。