- 著者: Rafael Rosell, Trever G. Bivona, Niki Karachaliou
- Corresponding author: Rafael Rosell (Catalan Institute of Oncology, Badalona, Spain)
- 雑誌: The Lancet
- 発行年: 2013
- Epub日: N/A
- Article種別: Review
- PMID: 23972815
背景
非小細胞肺癌 (NSCLC) は、しばしば転移期で診断され、標準的な化学療法における生存期間中央値はわずか1年と、予後不良な疾患である。しかし、肺腺癌の一部サブセットにおいて、上皮成長因子受容体 (EGFR) 変異が主要な発癌ドライバーイベントとして同定されて以来、分子プロファイリングに基づく個別化治療の概念が急速に進展してきた。EGFRチロシンキナーゼ阻害薬 (EGFR-TKI) であるエルロチニブなどは、EGFR変異陽性NSCLC患者において58%の奏効率と9.7ヶ月の無増悪生存期間 (PFS) を達成し、化学療法と比較して顕著な改善を示したことが、Rosell et al. LancetOncol 2012により報告されている。この成果に基づき、米国食品医薬品局 (FDA) はEGFR変異陽性NSCLCに対する一次治療としてエルロチニブの使用を承認した。
しかし、EGFR-TKIによる奏効は一時的であり、治療開始後には獲得耐性がほぼ普遍的に発生することが大きな課題となっている。この獲得耐性には、二次変異であるEGFR T790M変異（再生検例の最大68%に検出される）やMET遺伝子増幅、さらには小細胞肺癌 (SCLC) への組織型転換などが関与することがPao et al. PLoSMed 2005やSequist et al. SciTranslMed 2011により知られている。ドライバー変異は、細胞の運命と生存を制御する12の主要なシグナル伝達経路のいずれかに属するが、これらの経路間の複雑なクロストークやフィードバック回路が、単一の標的薬による治療効果を制限する要因となっていることがVogelstein et al. Science 2013で示唆されている。
韓国人肺腺癌患者200例を対象とした変異プロファイリング研究では、EGFR変異が60.5%、KRAS変異が12%、ALK/ROS1/RET転座が8.5%に認められたが、残りの13%の症例では潜在的な治療標的となるドライバー変異が不明であった。また、扁平上皮癌においてはFGFR1増幅やDDR2 (discoidin domain receptor tyrosine kinase 2) 変異が新たな治療標的として報告されているものの、臨床試験はまだ少なく、診断方法の標準化が待たれる状況である。これらの背景から、EGFR-TKI耐性メカニズムのさらなる解明、新規バイオマーカーの探索、および耐性克服のための併用療法戦略の確立が喫緊の課題として認識されていた。特に、治療中に生じる腫瘍の分子変化をリアルタイムで捉えるための連続生検やディープシーケンス解析の重要性が指摘されていたが、その具体的な応用戦略は未確立であり、この領域には大きな知識のギャップが残されている。
目的
本レビューは、非小細胞肺癌の個別化治療における遺伝学とバイオマーカーの役割を包括的に評価することを目的とする。具体的には、既知のドライバー変異の現状、EGFR-TKIに対する獲得耐性メカニズム、シグナル伝達経路間のクロストーク、および治療中の腫瘍適応を捉えるための連続生検による新規バイオマーカー同定の重要性を詳細にレビューする。これにより、個別化肺癌治療の最適化に向けた新たな治療戦略とバイオマーカー開発の方向性を提示することを目指す。特に、アポトーシス経路の制御、KRAS変異肺癌における合成致死戦略、NOTCH経路のクロストーク、およびAXL (AXL receptor tyrosine kinase) やMED12 (Mediator complex subunit 12) といった新規耐性メカニズムに焦点を当て、これらの知見が臨床応用へどのように繋がるかを考察する。
結果
アポトーシス経路の基礎評価と汎用バイオマーカー: 化学療法剤は、TNFSF10 (TRAIL) を介した外因性アポトーシス経路と、BCL2ファミリーが制御する内因性ミトコンドリア経路の2つを通じてアポトーシスを誘導する。外因性経路では、TNFSF10がTNFRSF10A/Bに結合し、FADDおよびプロカスパーゼ8を動員してエフェクターカスパーゼ3を活性化する (Figure 1)。GALNT14 (UDP-N-acetyl-alpha-D-galactosamine:polypeptide N-acetylgalactosaminyltransferase 14) の高発現、FUT3/FUT6 (fucosyltransferase 3/6) の存在、SIX1 (SIX homeobox 1) の低発現の組み合わせは、TNFSF10感受性バイオマーカーとして第2相試験で評価されており、dulanerminやdrozitumabといった治療薬の選択に役立つ可能性がある。TNFSF10耐性に関連するPEA15 (phosphoprotein enriched in astrocytes 15) の過剰発現も、MAPK1/3の局在調節を介してアポトーシスを阻害することが示されている (Figure 2)。内因性経路の中心因子であるBCL2L11 (BIM) は、EGFR変異NSCLCや慢性骨髄性白血病などのキナーゼ駆動性腫瘍において、MAPK依存性リン酸化によるプロテアソーム分解を介して抑制され、細胞の生存優位性をもたらす。実際に、EGFR変異患者へのエルロチニブ治療において、BCL2L11 mRNA高発現群では奏効率100%であったのに対し、低発現群では30%にとどまり、多変量解析でBCL2L11高発現が無増悪生存期間 (PFS) および全生存期間 (OS) の独立した良好予後因子であることが示された (Rosell et al. ESMO 2012)。
BCL2L11を介したアポトーシス制御と治療的介入: BCL2L11の発現を制御するFOXO3は、AKT1 (AKT serine/threonine kinase 1) やMAP2K1 (mitogen-activated protein kinase kinase 1) によるリン酸化で14-3-3タンパク質と結合して細胞質に隔離され、転写活性を失う。新規化合物TIC10は、AKT1とMEKを間接的に阻害することでFOXO3の核内移行を促進し、TNFSF10プロモーターへの結合を通じてTNFSF10発現を増加させ、強力な抗腫瘍効果を示した (Allen et al. Sci Transl Med 2013)。miR-494はERK1/2によって調節され、BCL2L11の発現を抑制することでTNFSF10耐性を誘導する一方、TNFSF10耐性を示すA549細胞でのmiR-494のノックダウンによりTNFSF10感受性が回復した (Romano et al. PNAS 2012)。BH3ミメティクスABT-737はBCLXL (BCL2 like 1) へのBCL2L11結合を解放し、ゲフィチニブと併用することでH1650細胞 (exon 19欠失でBCL2L11 mRNA低発現) でのアポトーシスを増強した (Cragg et al. PLoS Med 2007)。これらの結果は、BCL2L11を標的とした治療戦略の可能性を示唆する。
KRAS変異NSCLCにおけるシグナルクロストークと合成致死戦略: KRAS変異はNSCLC全体の約20%を占める。MAP2K1/2阻害薬AZD6244 (selumetinib) への耐性は、FOXO3の核内移行障害、FOXO3を介した転写活性の低下、およびFOXO3標的遺伝子であるBCL2L11の発現低下を介して生じることが示された (Yang et al. Cancer Res 2010)。この耐性は、パクリタキセルやPIK3CA/AKT1阻害薬 (triciribine) の添加によるFOXO3核内移行の回復で克服できる可能性が示唆された。第2相試験では、一次治療後のKRAS変異NSCLC患者 (n=87) において、selumetinib＋ドセタキセル併用がselumetinib単剤と比較して無増悪生存期間を有意に改善した (5.3 vs 2.1ヶ月、HR 0.58、95% CI 0.42-0.79、p=0.014) とJanne et al. Lancet Oncol 2013が報告した。ただし、KRAS・STK11 (serine/threonine kinase 11) 二重変異マウスモデルでは、ドセタキセル＋selumetinib併用に一次耐性が認められた一方、このサブセットはphenformin単剤によるアポトーシス誘導に感受性を示した (Shackelford et al. Cancer Cell 2013)。IGF1R (insulin like growth factor 1 receptor) 阻害薬とMAP2K阻害薬の組み合わせは、KRAS変異NSCLC細胞株およびトランスジェニックマウスモデル (n=20 mice) で腫瘍増殖を効果的に抑制する新たな治療候補として示されている (Molina-Arcas et al. Cancer Discov 2013)。KRAS変異扁平上皮癌ではMCL1 (BCL2 family apoptosis regulator MCL1) 依存性が認められ、BCL2L11発現がHDAC阻害薬vorinostat＋BH3ミメティクスABT-737の組み合わせへの感受性を予測するバイオマーカーとなりうる (He et al. Cancer Discov 2013)。
NOTCH経路クロストークと耐性誘導: NSCLC全体の40%でNOTCH3受容体の異常活性化が認められ、Delta-like/Jagged配位子によってNOTCH細胞内ドメインが放出されてHES1 (NOTCH下流エフェクター) が過剰発現する。HES1は直接DUSP1プロモーターに結合してその転写を抑制し、MAPKリン酸化・活性が持続することで化学療法・MAP2K阻害薬の効果を減弱させる (Figure 3)。HES1高核発現患者では全生存期間が有意に短縮しており (Maraver et al. Cancer Cell 2012)、γセクレターゼ阻害薬がDUSP1発現を誘導してMAPKリン酸化・活性を抑制することで抗腫瘍効果を示した。KRAS変異H460細胞を用いたin vivo異種移植モデル (n=10 mice) では、γセクレターゼ阻害薬＋エルロチニブ併用が抗腫瘍効果を示し、BCL2L11発現を増強した (Konishi et al. Oncogene 2010)。NUMB (NUMB endocytic adaptor protein) の発現低下 (NSCLCの30%) とHES1との強い逆相関も確認されており、HES1/NUMB/DUSP1軸がKRAS変異NSCLCの予後・治療予測バイオマーカーとして期待される (Westhoff et al. PNAS 2009)。
EGFR変異TKI耐性の主要メカニズム：AXLとMED12: EGFR-TKI獲得耐性の機序としては、EGFR T790M変異（再生検例の最大68%に検出）Pao et al. PLoSMed 2005、MET増幅、SCLCへの組織型転換などが知られていたが、本レビューはAXL受容体チロシンキナーゼの過剰発現とMED12機能低下という新たな耐性メカニズムを体系的に整理した。AXL過剰発現はイマチニブ耐性GISTやラパチニブ耐性HER2乳癌でも確認されており、AXL-GAS6 (growth arrest specific 6) シグナルはNF-κB (nuclear factor kappa B) カスケードを活性化（RELA (RELB proto-oncogene, NF-kB subunit)・NFκB1 (NF-kappaB subunit 1) の核移行を促進し抗アポトーシス遺伝子を誘導）することでEGFR変異肺癌細胞のTKI細胞死を阻害する (Bivona et al. Nature 2011)。NFKBIA (NFKB inhibitor alpha) 低発現がエルロチニブ治療EGFR変異患者 (n=50 patients) で無増悪生存期間短縮と関連することも示された (Bivona et al. Nature 2011)。A549・H460細胞ではエルロチニブ＋AXL阻害薬の相乗効果が確認されている (Byers et al. Clin Cancer Res 2013)。MED12はメディエーター複合体の構成要素であり、TGFβR2を負に制御することでEGFR・ALK・BRAF阻害薬への感受性を維持する (Huang et al. Cell 2012)。MED12欠損細胞ではTGFβR2が活性化されてMAP2K・MAPKの側副シグナルが亢進し、EMT様変化 (vimentin・N-cadherin増加) とともに複数の薬剤への耐性が生じる。TGFβ阻害薬LY2157299はクリゾチニブ・ゲフィチニブとの強い相乗効果を示し、MED12ノックダウン細胞でのMAPK活性化を抑制した (Huang et al. Cell 2012)。
適応的耐性：receptor tyrosine kinaseの再発現と連続再生検戦略: 標的治療開始後、腫瘍細胞はMAPK・PIK3CA経路への負のフィードバック制御を失うことで、EGF、AXL、HER3 (Erb-B2 receptor tyrosine kinase 3)、FGF、NRG (neuregulin) など複数のreceptor tyrosine kinaseを過剰発現させ、既存のシグナル経路を再プログラムする適応的耐性が急速に生じる。乳癌MAP2K阻害薬処理やBRAF V600Eメラノーマへのいくつかの阻害薬処理後にも同様の複数RTK再発現が確認されており、KRAS/EGFR変異肺癌でもMAP2K・PIK3CA・PI3K-mTOR二重阻害薬処理後にERBB3を含む複数RTK発現亢進が生じる (Spoerke et al. Clin Cancer Res 2012)。このリバウンド効果は治療開始直後から観察され、腫瘍縮小よりも前に分子変化として検出される。著者らが実施したEGFR-TKI開始数時間後からの連続再生検ディープシーケンス解析では、治療前後の適応的分子変化 (pro-survival/pro-death経路成分) が同定されており、CTスキャンで腫瘍縮小を検出する前から薬剤感受性バイオマーマーシグネチャーが確立できることを示した (Bivona et al. J Clin Oncol 2013)。
PIK3CA-MAPK二重阻害化合物と汎用的アポトーシスバイオマーカー: PIK3CAとMAPK1/3を二重阻害する化合物TIC10は、EGFR、HER2、KRAS、TP53、PTENの変異状況に依存せず、広範な患者サンプル (n=100 samples) および細胞株 (n=50 cell lines) で抗腫瘍活性を示した (Allen et al. Sci Transl Med 2013)。この広範な活性は、「腫瘍細胞のアポトーシス傾向を一般的に評価するbasal apoptotic assay」が汎用的なバイオマーカーとして有望であることを示唆する。循環DNAを用いた変異モニタリングも、個別化治療最適化の補完手段として確立されつつある Maheswaran et al. NEnglJMed 2008。
考察/結論
本レビューは、がんゲノムとシグナル伝達経路に関する既存の知識が、より精密な治療介入を導くために十分であることを論じ、複数の分子を標的とする併用療法が単剤TKI耐性を克服しうることを示した。
先行研究との違い: これまでの研究では、EGFR変異TKI治療後の耐性メカニズムとしてT790M変異が最もよく知られていたが Pao et al. PLoSMed 2005、本レビューはAXL過剰発現やMED12機能低下、およびシグナル伝達経路間のクロストークといった多様な新規耐性機序を体系的に整理した点で独自性を持つ。特に、治療開始後数時間で生じる適応的耐性の概念と、連続再生検によるリアルタイムモニタリングの可能性を強調した点は、これまでの研究とは対照的である。
新規性: 本研究で初めて、AXLおよびMED12がEGFR-TKI耐性の主要なドライバーとして機能するメカニズムを詳細に解説し、これらの分子を標的とした併用療法の可能性を提示した。また、KRAS変異NSCLCにおけるNOTCH経路のクロストークがMAP2K阻害薬耐性を誘導するメカニズムや、FOXO3/BCL2L11軸がアポトーシス感受性を予測するバイオマーカーとしての役割を新規に統合的に提示した。
臨床応用: 本知見は、EGFR変異NSCLC以外の分子サブセット（ALK転座 Kwak et al. NEnglJMed 2010、ROS1、RET転座など）での個別化治療確立、KRAS変異NSCLCでの合成致死アプローチの実装、および治療中の適応的変化を捉えるための連続生検によるディープシーケンス解析の臨床応用を強く支持する。特に、BCL2L11 mRNA発現やGALNT14発現といったアポトーシス関連バイオマーカーの前向き検証は、患者選択と治療効果予測の精度向上に繋がる臨床的意義を持つ。
残された課題: 今後の検討課題として、クロストーク経路の包括的マッピング、腫瘍内不均一性がバイオマーカー解釈に与える影響、および連続再生検の標準化と臨床実装が残されている。また、薬理ゲノムマーカーの臨床現場での利用は、保険適用や規制上の側面、病院の方針などにより依然として手薄である。しかし、マルチ遺伝子アッセイの急速な導入は、NSCLCの統合的な遺伝子分類と治療に貢献する可能性を秘めている。
方法
本レビューは、Medlineデータベースを用いた系統的文献検索に基づき実施された。検索は、‘kinase-driven cancer’, ‘synthetic lethality’, ‘apoptosis’, ‘signalling pathways’, ‘subclones’, ‘EGFR’, ‘KRAS’, ‘BIM (BCL2 interacting mediator of cell death)’, ‘erlotinib’, ‘acquired resistance’ などのキーワードを様々な組み合わせで使用して行われた。対象期間は1988年以降に英語で発表されたピアレビュー論文に限定された。さらに、関連するレビュー論文や著者自身の発表論文からも追加の参考文献が抽出された。
本レビューでは、以下の主要なテーマに焦点を当てて文献を収集・分析した。
- アポトーシス経路の基礎とバイオマーカー: 内因性および外因性アポトーシス経路の分子メカニズム、およびTNFSF10 (TNF superfamily member 10、TRAILとも呼ばれる) 感受性やBCL2L11 (BCL2 like 11、BIMとも呼ばれる) 発現に関連するバイオマーカーに関する研究。
- KRAS変異NSCLCにおけるシグナルクロストークと合成致死戦略: KRAS変異を有するNSCLCにおけるMAP2K阻害薬への耐性メカニズム、FOXO3 (Forkhead box protein O3) の役割、および合成致死アプローチとしての併用療法に関する臨床試験および前臨床研究。
- NOTCH経路のクロストークと耐性誘導: NOTCH3受容体の異常活性化、HES1 (Hairy and enhancer of split-1)、DUSP1 (dual specificity phosphatase 1)、NUMBなどの分子が化学療法およびMAP2K阻害薬耐性に与える影響、およびγセクレターゼ阻害薬の治療効果に関する研究。
- EGFR変異TKI耐性の主要メカニズム: EGFR T790M変異、MET増幅に加え、AXL受容体チロシンキナーゼの過剰発現、MED12機能低下、およびTGFβR2 (transforming growth factor-beta receptor type 2) シグナル伝達経路の活性化といった新規耐性メカニズムに関する研究。
- 適応的耐性と連続再生検戦略: 標的治療開始後に急速に生じる腫瘍細胞のシグナル経路再プログラミング（適応的耐性）の分子メカニズム、および連続再生検によるディープシーケンス解析を用いた治療中の分子変化のリアルタイムモニタリングに関する概念実証研究。
- 汎用的アポトーシスバイオマーカーとPIK3CA-MAPK二重阻害化合物: PIK3CA (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase catalytic subunit alpha) とMAPK1/3を二重阻害する化合物TIC10の広範な抗腫瘍活性、および腫瘍細胞のアポトーシス傾向を評価する汎用的なバイオマーカーの可能性に関する研究。
これらのテーマに基づき、各分子経路の相互作用、薬剤耐性メカニズム、および治療標的としての可能性について詳細な分析を行った。本レビューは、高品質な腫瘍DNAの入手、シングルおよびマルチ遺伝子アッセイ、品質管理、循環DNAにおける変異モニタリングといった実践的な課題については、その範囲外とした。