- 著者: Strauss J, Heery CR, Schlom J, Madan RA, Cao L, Kang Z, Lamping E, Marte JL, Donahue RN, Grenga I, Cordes L, Christensen O, Mahnke L, Helwig C, Gulley JL
- Corresponding author: James L. Gulley (National Cancer Institute, NIH, 10 Center Drive, Room 13N240, Bethesda, MD 20892)
- 雑誌: Clinical Cancer Research
- 発行年: 2018
- Epub日: 2018-01-03
- Article種別: Original Article (Phase I First-in-Human Dose-Escalation)
- PMID: 29298798
背景
PD-1/PD-L1 経路を標的とする ICI (immune checkpoint inhibitor) は melanoma・NSCLC・腎細胞癌・頭頸部癌など多数の腫瘍種で承認され、特に抗 PD-L1 抗体である avelumab、atezolizumab、durvalumab は固形腫瘍治療の標準オプションとして確立された (Borghaei et al. NEnglJMed 2015、Fehrenbacher et al. Lancet 2016)。しかしながら奏効患者は約 20% に限られ、ICI 単剤抵抗性の主要機序として TGF-β (transforming growth factor-β) シグナルが特定されてきた。TGF-β は腫瘍微小環境において (1) T 細胞活性化抑制、(2) Treg (regulatory T cell) 誘導、(3) MDSC (myeloid-derived suppressor cell) 動員、(4) 腫瘍線維化促進、(5) carcinoma の mesenchymalization 促進、という複数経路で immunosuppressive 環境を形成し、PD-L1 遮断単独では克服不能な抗腫瘍免疫障害を引き起こす。
ICI と TGF-β 経路阻害剤の併用は理論的に attractive だが、(a) toxicity の additive 増加、(b) 治療 administration の煩雑性、(c) 規制承認パスの複雑化、という 3 つの controversial な実装課題があった。さらに TGF-β 単独阻害 (fresolimumab、galunisertib 等) では奏効率がモデストにとどまっており、何が 足りなかったか = “PD-L1 と TGF-β を同一分子内で同時に阻害する物理的近接性” の不在が 未解明 な機序的課題として残されていた。Bifunctional antibody/fusion protein は単一薬剤で 2 つの分子標的を同時阻害する emerging therapeutic strategy で、上記課題を克服する可能性が 不足 している ICI 抵抗性ステージ III/IV 固形腫瘍に対する有望なアプローチとして注目された。M7824 (MSB0011359C、後の bintrafusp alfa) は human IgG1 monoclonal antibody against PD-L1 (avelumab 同族) の C 末端に TGF-β receptor II (TGFβRII) の細胞外ドメインを融合させた innovative first-in-class bifunctional fusion protein であり、PD-L1 遮断と “TGF-β trap” による sequestration を同時実現する設計。前臨床マウスモデルで anti-PD-L1 単剤や TGF-β trap 単剤と比較して優れた抗腫瘍活性・CD8+ T cell + NK cell 浸潤増加・MDSC 浸潤減少・mesenchymalization 逆転を示しており (Lan et al. CancerCell 2018 等)、本試験が初めての first-in-human 臨床試験となった。
目的
進行固形腫瘍患者を対象とした phase I 3+3 dose-escalation 試験 (NCT02517398) において (1) M7824 の safety profile と MTD (maximum tolerated dose)、(2) pharmacokinetics (Cmax, t1/2, dose-linearity)、(3) pharmacodynamics (PD-L1 target occupancy in PBMC + TGF-β1/β2/β3 sequestration)、(4) preliminary efficacy (RECIST v1.1 best overall response) を first-in-human 設定で評価する。
結果
患者背景と試験曝露 (Patient demographics + treatment exposure): 2015 年 9 月 1 日〜2017 年 3 月 21 日に n=19 患者が NIH Center for Cancer Research に登録 (Table 1)。Dose cohort 構成: 0.3→10 mg/kg n=3、1 mg/kg n=3、3 mg/kg n=3、10 mg/kg n=3、20 mg/kg n=7 (1 例は DLT 評価期間中の palliative radiation で評価不能となり置換)。Age median 56 (range 33-78)、男性 n=9 / 女性 n=10、ECOG 0 が n=10、84% が ≥2 prior anticancer therapy 経験。Primary tumor は子宮頸癌 n=4 (21.1%)、膵癌 n=5 (26.3%)、肛門癌 n=2、腺様嚢胞癌 n=2、大腸癌 n=2 など 9 種多様。Median treatment duration は 11.9 週 (range 4.0-41.9)、dose level 別では 3 mg/kg cohort が最長 (median 23.9 週、range 14.0-27.9)。
安全性と MTD (Safety, MTD not reached): 全 n=19 患者 (100%) が ≥1 AE を経験、58% が ≥1 serious AE、26% が treatment-related serious AE (Table 2)。Treatment-related AE は n=9 例 (47.4%) で発生、grade ≥3 treatment-related AE は n=4 例 (21.1%) に限定: (a) 3 mg/kg 群 1 例で grade 2 bullous pemphigoid (day 185) → grade 3 superimposed skin infection (day 201、抗生剤で解決)、(b) 20 mg/kg 群 1 例で grade 3 asymptomatic lipase increase (day 13, 41) + grade 2 keratoacanthoma (day 128、M7824 中止で退縮)、(c) 20 mg/kg 群 1 例で grade 2 colitis (day 27) → grade 3 (day 30) で treatment discontinuation (DLT 判定、secondary anemia + rectal hemorrhage)、(d) 10 mg/kg 群 1 例で grade 4 hypokalemia (day 294) + grade 3 gastroparesis (day 310) で discontinuation。MTD は最高用量 20 mg/kg でも未到達、無治療関連死亡。Hypothyroidism n=3 (15.8%)、rash maculopapular n=3 (15.8%)、keratoacanthoma n=2 (10.5%) などの irAE 類は anti-PD-1/PD-L1 と類似 profile。
Pharmacokinetics + Pharmacodynamics — dose-linear exposure + complete target engagement at >1 mg/kg (Fig 1): PK 解析で 3 mg/kg 以上から dose-linear increase が確認され (Fig 1A)、apparent mean terminal half-life t1/2 は 0.3 / 1 / 3 / 10 / 20 mg/kg でそれぞれ 75±16 / 108±5 / 140±57 / 151±26 / 158±18 時間 (mean±SD) と dose-dependent に延長 (target-mediated drug disposition が ≥3 mg/kg で飽和)。PD-L1 target occupancy 解析 (Fig 1B) では PBMC 上の PD-L1 が >1 mg/kg dose で 全 dosing interval を通じて飽和 (saturation)。TGF-β1/β2/β3 plasma sequestration (Fig 1C) は >1 mg/kg で全 3 isoform の complete sequestration が dosing 期間中継続。IC50 for TGF-β1 binding は 0.37 μg/mL と算定された。Free TGF-β は drug-naive donor plasma で acid activation 後に検出可能だが、M7824 10 μg/mL spike 後は acid activation 後も TGF-β 検出されず、in vitro での complete trap 能力が confirmed。
確認奏効例: 1 CR + 2 PR + 1 near-PR (Table 3, Fig 2, Fig 3): All evaluated dose levels で clinical activity の evidence が観察された。(1) Confirmed CR (cervical cancer, HPV+, 10 mg/kg) — 49 歳女性、cisplatin/taxol + carboplatin/taxol+bevacizumab 既治療、縦隔リンパ節転移。Day 7.5 ヶ月で RECIST v1.1 CR (lymph node short-axis <10 mm) を達成、Day 13 ヶ月 restaging で durable confirmed。CEA 腫瘍マーカーは CR 確認の数週前から marked reduction を示した。(2) Confirmed PR (pancreatic cancer, MMR-deficient, 3 mg/kg) — 61 歳男性、FOLFIRINOX + gemcitabine/abraxane + XELOX 既治療。4.5 ヶ月で confirmed PR、6 ヶ月で 49% tumor reduction、10.5 ヶ月まで durable。(3) Confirmed PR (anal cancer, HPV+, 0.3→10 mg/kg) — 14 infusions ongoing。(4) Near-PR (cervical cancer, 20 mg/kg)。HPV+ tumor (cervical/anal) と MMR-deficient tumor で response が観察された点は immunoresponsive subset の予測因子として注目される。
SD と遅発性奏効パターン (Fig 2): (5) Prolonged SD は 2 例で観察され、pancreatic cancer (3 mg/kg) では study entry 時に growing disease だったが 4.5 ヶ月の SD を達成、carcinoid (1 mg/kg) では 8 ヶ月の SD で 6 ヶ月時点で 20% tumor reduction を伴った (treatment discontinuation 時も baseline 比 reduced tumor burden 維持)。(6) Late-onset response (chordoma, 20 mg/kg) — Day 85 で PD と判定し discontinued したが Day 280 restaging で 45% tumor reduction という pseudoprogression-like 遅発性奏効。これら 3 例は ICI に特徴的な遅発性 / 持続性 response pattern を本剤でも示し、後の expansion cohort design に影響を与えた。
Immune cell subset 動態の trend (Peripheral cell subset): n=14/19 患者の PBMC 131 immune cell subsets を pre-M7824 vs 2 weeks after 1/3/6 administrations で比較。131 subsets 全体では Holm-corrected で statistically significant な差なし。しかし clinical benefit のあった subgroup では B 細胞 + CD4+ T 細胞増加と CD16+ MDSC 減少が trend として観察された。Avelumab 同様、M7824 は PD-L1+ immune cell subsets を depletion しないことが確認された (CD3 → flow cytometry gate 結果)。
考察/結論
本試験は M7824 (MSB0011359C, bintrafusp alfa) の first-in-human Phase I dose-escalation データを報告し、(a) MTD 未到達 (最大 20 mg/kg)、(b) 1 mg/kg 超で PD-L1 飽和 + TGF-β complete sequestration、(c) 1 CR + 2 confirmed PR + 1 near-PR + 2 prolonged SD + 1 遅発性奏効、という 3 つの key findings を統合的に示した。
① 先行研究との違い: Anti-PD-1/PD-L1 単剤の Phase I (pembrolizumab、nivolumab、avelumab、atezolizumab) では ORR 約 20% にとどまり (Borghaei et al. NEnglJMed 2015 等)、TGF-β 単独阻害 (fresolimumab、galunisertib) も modest な response rate であった。本試験は これまでの 単剤戦略と 対照的に PD-L1 と TGF-β を同一分子内で同時阻害する bifunctional design を採用し、heavily pretreated patient cohort (84% ≥2 prior lines) でも CR 含む durable response を達成した点で 異な る efficacy signal を示した。先行する fresolimumab phase I の skin lesion 副作用 (keratoacanthoma 等) と本試験での同種 AE 観察は TGF-β 阻害に共通する class-effect であることを 相違 ではなく共通点として確認しつつ、bifunctional 設計が単剤併用より tolerability profile を maintain しながら efficacy を高めることを実証した。後続の これまでの anti-PD-L1/TGF-β fusion 開発 (M7824 後の各種 candidate) も本論文を出発点としている。
② 新規性: M7824 は 本研究で初めて ヒトに投与された first-in-class bifunctional fusion protein であり、PD-L1 と TGF-β の dual blockade を single molecule で実現するという 新規な molecular design を first to demonstrate した historic な意義を持つ。これまで報告されていない 知見として (a) TGF-β1/β2/β3 全 3 isoform の complete sequestration を ≥1 mg/kg dose で確認、(b) PD-L1 saturation と TGF-β trap を同一分子で同時達成、(c) HPV+ 腫瘍 (cervical/anal) と MMR-deficient pancreatic cancer での response observation、(d) chordoma での 195 日後遅発性奏効、を提示した点に novelty が認められる。131 immune cell subset の systematic monitoring も Phase I 段階での詳細な PD profile としては novel である。
③ 臨床応用: 本試験は後の bintrafusp alfa Phase II 開発 (biliary tract cancer、cervical cancer、NSCLC 等) の方法論的・科学的基盤を提供し、臨床応用 に向けた dose selection (1200 mg q2 週 fixed dose) と patient population (HPV+ / MMR-deficient priority) を informed した。臨床現場での 意義として ICI 単剤抵抗性患者群 (PD-L1 high だが non-responder、TGF-β high tumor 等) への新オプションの可能性が示された。bench-to-bedside の橋渡しとして、preclinical で示された CD8+ T cell + NK cell 浸潤増加 + MDSC 減少 + mesenchymalization 逆転 (Lan et al. CancerCell 2018) が臨床で初めて検証可能となった 臨床的有用 性は高い。なお後年 (2021 年) bintrafusp alfa の biliary tract cancer Phase II 試験で primary endpoint を達成できず、NSCLC 1st-line trial も標準 pembrolizumab に対して非劣性を示せなかった事実が判明したが、これは本 Phase I の有望性所見と patient population/dose の最適化必要性の差を反映しており、薬剤開発 trajectory として教訓的である。
④ 残された課題: 本試験には複数の limitation がある: (a) n=19 と small sample size、(b) heterogeneous tumor type で response/non-response の biomarker 特定不能、(c) MTD 未到達のため recommended Phase II dose 設定は efficacy/PD data driven、(d) 131 immune cell subset 解析は peripheral blood のみで tumor microenvironment 内変化は未評価、(e) 遅発性奏効 (chordoma) の機序未解明。今後の検討 として (1) tumor TGF-β / PD-L1 expression と response の相関、(2) ctDNA dynamics による early response prediction、(3) Treg/MDSC depletion の tumor 内動態、(4) M7824 retreatment の efficacy (bullous pemphigoid 患者で観察)、(5) ICI naive vs treated patient population での comparative efficacy、(6) anti-PD-L1/TGF-β trap と他 ICI/chemo の combination 戦略、などの 今後の研究 方向性 (future research direction) が複数残る。今後の研究 で bifunctional fusion protein class 全体の clinical development pathway 確立に寄与する基盤となった。
結論として、本 Phase I 試験は M7824 が manageable safety profile かつ encouraging early efficacy を示し、PD-L1 と TGF-β の同時阻害という innovative therapeutic concept を first-in-human で validate した。Multiple expansion cohort が ongoing で colorectal cancer や NSCLC を含む追加 evidence の確立が待たれる。
方法
試験デザイン: Phase I, open-label, dose-escalation and dose-expansion trial (Identifier: NCT02517398、Bristol-Myers Squibb / EMD Serono / Merck KGaA sponsor)。Standard 3+3 design で M7824 を 1, 3, 10, 20 mg/kg q2 週 i.v. 投与の 4 dose cohort + 0.3 mg/kg single low-dose followed by 10 mg/kg cohort (PK/PD評価目的) で計 5 group。Database cutoff March 21, 2017。対象は histologically/cytologically confirmed metastatic/locally advanced solid tumor で no effective standard therapy or standard therapy failed の n=19 患者 (ECOG PS 0-1、preserved organ function、measurable disease)。Autoimmune disease 既往は type 1 diabetes / vitiligo / alopecia / psoriasis / hypothyroid/hyperthyroid (no immunosuppressive treatment) 以外は除外、prior ICI 既治療は除外。Treatment は progressive disease (PD) confirmed、unacceptable toxicity、withdrawal までと定義。Infusion-related reaction 予防として最初の 2 回投与 30-60 分前に antihistamine + paracetamol (acetaminophen) を premedication 必須。
Outcomes: Primary は safety と MTD。Secondary は pharmacokinetics、immunogenicity、best overall response。Safety は NCI CTCAE v4.03 (National Cancer Institute Common Terminology Criteria for Adverse Events) で grading。DLT (dose-limiting toxicity) は grade ≥3 toxicity (related to M7824) の 21 日以内発生と定義 (transient grade 3 infusion reaction/fever、24h 以内解消の fatigue/headache/nausea/emesis、grade 3 anemia の 14 日以内 ≥9 g/dL 復帰 等は例外)。MTD は cohort 6 例中 ≤1 例の DLT を満たす最高用量。
PK/PD: Standard non-compartment analysis で Cmax、t1/2 を算出。PD-L1 target occupancy は PBMC (peripheral blood mononuclear cell) を flow cytometry (anti-CD3 Alexa Fluor 488 + anti-CD20 PE + biotinylated avelumab + Streptavidin-APC) で測定、CD3+ gating で occupancy 計算。TGF-β1/β2/β3 plasma 濃度は Bio-Plex Pro TGF-β1/-β2/β3 assay (Bio-Rad) で treatment 開始前および cycle 1 の day 2/8/15 に測定、HCl による latent complex 解離 + capture antibody-coupled beads + Bio-Plex MagPix で定量。Cell line として PBMC を donor から採取、131 immune cell subsets を multicolor flow cytometry で分析。
統計: 3+3 sample size 設計、formal power calculation なし。Wilcoxon matched pairs signed rank test で pre/post 比較、Holm 法 (step-down Bonferroni) で多重検定補正。生存解析は Kaplan-Meier、95% CI は Brookmeyer-Crowley 法を準用。