癌细胞。作者手稿;PMC 2012年9月13日发布。
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NIHMSID公司:美国国家卫生研究院324337
利用癌细胞脆弱性开发Ras驱动肿瘤的联合治疗
,1,2,三 ,2,4 ,2,5 ,2,4 ,6 ,1,2 ,1,2 ,7 ,2 ,2,8 ,2,8 ,9 ,7 ,2,5 ,1,2,三 ,6和*,1,2,三
托马斯·德·雷德
1美国马萨诸塞州波士顿市百翰女子医院医学部遗传科,邮编02115
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
三达纳·法伯路德维希中心/哈佛癌症中心,马萨诸塞州波士顿02115
赞德拉·沃尔顿
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
4马萨诸塞州波士顿Dana-Farber癌症研究所肿瘤内科02115
Jessica L.Yecies(杰西卡·L·Yecies)
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
5马萨诸塞州波士顿哈佛公共卫生学院遗传与复杂疾病系02115
李达南
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
4马萨诸塞州波士顿Dana-Farber癌症研究所肿瘤内科02115
陈一美
6伊利诺伊州芝加哥大学本·梅癌症研究所,邮编60637
克莱尔·马龙
1美国马萨诸塞州波士顿市百翰女子医院医学部遗传科,邮编02115
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
奥菲莉亚·梅尔滕斯
1美国马萨诸塞州波士顿市百翰女子医院医学部遗传科,邮编02115
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
Seung Min Jeong先生
7哈佛医学院病理学系,马萨诸塞州波士顿02115
罗德里克·布朗森
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
瓦莱丽·勒布卢
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
8马萨诸塞州波士顿贝斯以色列女执事医疗中心矩阵生物学部,邮编02115
拉胡·卡卢里
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
8马萨诸塞州波士顿贝斯以色列女执事医疗中心矩阵生物学部,邮编02115
艾曼纽尔·诺曼特
9Infinity Pharmaceuticals,马萨诸塞州剑桥市纪念大道780号,邮编02139
马西娅·海吉斯
7哈佛医学院病理学系,马萨诸塞州波士顿02115
布伦丹·D·曼宁
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
5马萨诸塞州波士顿哈佛公共卫生学院遗传与复杂疾病系02115
王国健
1美国马萨诸塞州波士顿市百翰女子医院医学部遗传科,邮编02115
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
三达纳·法伯路德维希中心/哈佛癌症中心,马萨诸塞州波士顿02115
凯·F·麦克劳德
6伊利诺伊州芝加哥大学本·梅癌症研究所,邮编60637
凯伦·齐卓斯基
1美国马萨诸塞州波士顿市百翰女子医院医学部遗传科,邮编02115
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
三达纳·法伯路德维希中心/哈佛癌症中心,马萨诸塞州波士顿02115
1美国马萨诸塞州波士顿市百翰女子医院医学部遗传科,邮编02115
2哈佛医学院,马萨诸塞州波士顿,02115,美国
三马萨诸塞州波士顿Dana Farber路德维希中心/哈佛癌症中心02115
4马萨诸塞州波士顿Dana-Farber癌症研究所肿瘤内科02115
5马萨诸塞州波士顿哈佛公共卫生学院遗传与复杂疾病系02115
6伊利诺伊州芝加哥大学本·梅癌症研究所,邮编60637
7哈佛医学院病理学系,马萨诸塞州波士顿02115
8马萨诸塞州波士顿贝斯以色列女执事医疗中心矩阵生物学部,邮编02115
9Infinity Pharmaceuticals,马萨诸塞州剑桥市纪念大道780号,邮编02139
结果
MPNST对增强内质网应激的药物敏感
为了确定MPNST是否对诱发内质网应激的因素敏感,我们首先评估了基础应激水平。MPNST是高度非整倍体,由Ras的本构激活驱动,因此可能受到大量内质网应力的影响。事实上,与正常外周神经相比,肿瘤中的内质网应激水平要高得多,这已由UPR激活的三个独立标记物证实:BiP上调、真核翻译起始因子2α(eIF2α)磷酸化和XBP-1剪接活性形式的积累(sXBP-1)() (罗恩和沃尔特,2007年). 接下来,我们评估了人类和小鼠MPNST对经典内质网应激诱导剂的敏感性:thapsigargin(内质网钙ATP酶抑制剂)和tunicamycin(糖基化抑制剂)。两种药物都增强了内质网应激()在不影响正常细胞生存能力的浓度下引发细胞死亡()表明MPNST对这些内质网应激诱导剂过敏。
雷帕霉素和内质网应激诱导剂对MPNST的治疗作用(A)来源于Nf1/p53型突变小鼠MPNST和正常外周神经(NN)。BIP、磷酸化-EIF2a(pEIF2α)和XBP-1的剪接形式(sXBP-1)表明UPR激活。(B)100nM thapsigargin(TG)或0.5ug/ml膜霉素(TN)作用4小时后MPNST细胞中pEIF2α和sXBP-1的免疫印迹。Actin是一个加载控件。(C)正常细胞(IMR90)、人MPNST细胞系(S462,SNF96.2)和小鼠MPNST淋巴细胞系(185-3,1A50)对TG或TN(48小时)的反应LD50值。(D)生长曲线比较了不同剂量的thapsigargin和突尼斯霉素对S462人MPNST和IMR90的影响。(E)瀑布图,描绘了使用载剂(蓝色)、thapsigargin(红色)、雷帕霉素(黄色)和雷帕霉素/thapsigarkin(绿色)治疗10天后的肿瘤生长情况。左y轴表示肿瘤折叠生长与第0天的对数2,右y轴表示折叠体积的变化。该表显示了每个治疗组(n=8)的平均值和标准偏差以及平均肿瘤收缩率。(F)描述肿瘤大小随时间变化的图表。图中显示了雷帕霉素/他司加金三只动物的组合(绿色)。为了简单起见,黄线是雷帕霉素治疗肿瘤的平均体积(n=8)。蓝线和红线分别代表载体和thapsigargin处理的动物。(G)用雷帕霉素/他psigargin治疗的动物的H&E染色肿瘤残留物。(a)治疗107天,(b)治疗35天,(c)治疗21天,(d)治疗4天后,肿瘤切片显示整个肿瘤的核固缩。除(d)放大至40倍外,所有图像均采用10倍物镜拍摄。(另请参见图S1)
内质网应激诱导剂促进肿瘤消退体内但只有与雷帕霉素联合使用时
基于MPNST细胞对这些药物的超敏反应在体外,我们假设它们可能促进肿瘤退化。在Nf1/p53型肿瘤模型动物在~5个月内发生MPNST(Cichowski等人,1999年)肿瘤检测后平均存活10.7天(Johannessen等人,2008年). 对荷瘤动物使用载瘤剂、thapsigargin或雷帕霉素进行治疗(). Thapsigargin表现出最小的疗效(红色条),并且不如雷帕霉素(黄色条)有效。鉴于观察到的塔必佳和雷帕霉素的细胞毒性和细胞抑制作用,这一发现出乎意料在体外(和Johannessen等人,2008年). 然而,雷帕霉素/他司加金联用治疗引发肿瘤快速消退(绿色条;p=0.013)。肿瘤平均缩小45%;然而,一些肿瘤退行性>75%()剩余的肿块主要由出血和细胞碎片组成(). 虽然在3天内检测到显著的肿瘤消退,但在10天内观察到最大疗效(). 没有进行广泛的长期生存研究,因为老鼠经常抓挠或咬这些迅速缩小的损伤,导致溃疡,需要进行安乐死。然而,当动物成功治疗更长时间的肿瘤时,肿瘤并没有复发(). 一只动物在肿瘤发生后存活107天,没有复发迹象,存活时间是对照动物的10倍以上(). 当与雷帕霉素合用时,衣霉素也能诱导肿瘤消退,这与过度内质网应激是这种反应的关键驱动因素的结论一致(图S1).
HSP90抑制剂IPI-504与雷帕霉素协同作用促进肿瘤消退
虽然这些观察结果引人注目,但他司加金和衣霉素并不代表临床上可行的药物。HSP90抑制剂是另一类已知可诱导内质网应激的药物,目前正在临床上进行研究(临床试验.gov). HSP90通过折叠新合成和错误折叠的蛋白质、组装和分解蛋白质复合物以及分解蛋白质聚集体来维持蛋白质的稳态(Whitesell和Lindquist,2005年). HSP90还直接稳定UPR的两个关键压力敏感组件:IRE1和pPERK/PERK(Marcu等人,2002年). 因此,HSP90抑制剂有望通过两种协同机制促进癌细胞的内质网应激:第一,通过直接破坏这些已经受损的肿瘤细胞中的全局蛋白折叠,第二,通过失活UPR的两个臂提供的后续适应性反应。因此,我们评估了IPI-504的治疗效果,这是一种格尔德霉素衍生物17-AAG的盐酸对苯二酚盐(Sydor等人,2006年).
正如预测的那样,IPI-504快速诱导内质网应激并激活UPR,表现为在2-4小时内上调BiP、eIF2α、sXBP-1、IRE1和磷酸化PERK() (Healy等人,2009年). 然而,长期接触IPI-504导致IRE1和pPERK/PERK的不稳定(). 因此,包括sXBP-1和pEIF2α在内的下游UPR信号如预期的那样在8小时内被灭活(Marcu等人,2002年)(). 值得注意的是,不依赖于IRE1和PERK的BiP水平进一步升高了16小时,表明ER应激在两个阶段得到增强,以响应IPI-504() (Marcu等人,2002年). 与thapsigargin和突尼斯霉素类似,MPNST细胞对低剂量IPI-504敏感在体外().
雷帕霉素和IPI-504促进MPNST回归(A)用IPI-504治疗的人MPNST中BIP、pEIF2α、sXBP-1、IRE1α和PERK随时间(小时)的免疫印迹。注意,pEIF2α、sXBP1、IRE1和PERK的激活(*表示活化的磷酸化PERK)和BIP的初始上调发生在2-4小时内。当pEIF2α、sXBP-1、IRE1α和PERK被抑制时,第二波BIP上调发生在8-16小时之间。Actin用作加载控件。(B)正常细胞(IMR90)、人MPNST细胞系(S462,SNF96.2)和小鼠MPNST电池系(185-3,1A50)对IPI-504(72小时)的反应LD50值。(C)不同浓度IPI-504处理的S462细胞株的生长曲线。(D)瀑布图描绘了使用载体(蓝色)、IPI-504(红色)、雷帕霉素(黄色)和雷帕霉素/IPI-504(绿色)治疗10天后的肿瘤生长。左y轴表示肿瘤折叠生长与第0天的对数2,右y轴表示折叠体积的变化。该表报告了每个治疗组(n=8)的平均值和标准偏差以及平均肿瘤收缩率。Shapiro-Wilk检验表明,所有数据集都具有正态分布。(E)MPNST的照片显示在用雷帕霉素/IPI-504治疗的第0天和10天后。(F)雷帕霉素/IPI-504治疗动物的H&E染色肿瘤。(G)Hsp70和磷酸化S6免疫印迹显示治疗16小时后肺组织的药效学分析。p120用作加载控制。(H)肿瘤治疗16小时的TUNEL染色。(一)肿瘤负荷的Kaplain-Meier曲线Nf1/p53基因如前所述,用载体(黑色)或雷帕霉素(蓝色)治疗突变小鼠。X表示由于皮肤溃疡而被安乐死的动物。所有错误栏均显示+/-SD。(另请参阅图S2)
使用之前制定的IPI-504给药计划(Douglas等人,2009年),我们评估了该药物单独使用和与雷帕霉素联合使用的效果体内IPI-504与thapsigargin一样,不能作为单一药物促进肿瘤消退,但当与雷帕霉素联合使用时,它确实起到了促进作用()(p=0.001)。肿瘤平均缩小49%(,绿色条)。肿瘤消退明显()组织学分析显示大量细胞死亡和碎片堆积().
通过测量HSP70水平来评估临床试验中对IPI-504的药效学反应,当HSP90被有效抑制时,HSP70会增加(Ramanathan等人,2007年). 确认目标抑制体内使用此读数(). 雷帕霉素也有效抑制mTOR通路(). 雷帕霉素/IPI-504治疗后,肿瘤在3-5天内出现最大程度的消退,根据体重、仪容或身体评分,在本研究过程中未观察到任何毒性(图S2). TUNEL染色在16小时内很明显,这在单独接触雷帕霉素或IPI-504的动物肿瘤中没有观察到(). 为了模拟临床试验中使用的IPI-504剂量,每周给药一次,而不是两次,剂量为100mg/kg。这种治疗方案还促进了肿瘤缩小,显著延长了生存期()(p=8.9×10−5). 这种卡普兰-梅耶曲线可能低估了存活率,因为大多数动物因残留损伤部位的自我损伤而被安乐死(用Xs表示)(). 治疗50天后,未观察到长期毒性。
IPI-504通过抑制HSP90和促进内质网应激调节其治疗作用
HSP90由一个以上的基因编码,极其丰富,并与20多个共同伴侣相互作用(Taipale等人,2010年). 因此,通过基因抑制单个基因来完全灭活HSP90活性是不可能的。然而,另外两种结构不同的HSP90抑制剂BEP800和AUY-922(Massey等人,2010年)以及17-AAG本身,杀死MPNST,诱导内质网应激,并以与IPI-504相同的动力学影响UPR(和图S3A)证实这些药物都通过抑制HSP90发挥作用。
IPI-504诱导的细胞死亡是由于HSP90的抑制以及随后对UPR和ER应激的影响(A)用两种不同的HSP90抑制剂(500nM IPI-504和500nM BEP800)处理的MPNST细胞系S462的生长曲线。(B)用HSP90抑制剂AUY-922(100nM)处理S462细胞72小时。左y轴表示肿瘤折叠变化与第0天的对数2,右y轴表示细胞数量与第0天相比较的相对变化。(C)免疫印迹显示AUY-922对人类MPNST细胞BIP、pEIF2α、sXBP-1、IRE1α和PERK随时间(小时)的影响。Actin用作加载控件。(D)在1μM IPI-504存在和不存在sXBP1(XBP1的激活剪接形式)过度表达的情况下,细胞死亡的相对水平。右侧面板确认sXBP1的表达。(E)在IRE1α和/或PERK被siRNA击倒的细胞中,低剂量IPI-504对生长曲线的反应。免疫印迹证实击倒。(F)用100nM IPI-504处理S462细胞72小时,有或没有雷帕霉素预处理(100nM)(左)或猛禽shRNA(右)。左侧y轴表示肿瘤折叠变化相对于第0天的log2,右侧y轴表示细胞数量相对于第0天的相对变化。(G)与雷帕霉素加IPI-504(300nM)相比,IRE1α和PERK联合敲除(含或不含雷帕霉素)后S462细胞的相对数量。(F)在暴露于载体(Veh)、IPI-504(IP)、雷帕霉素(R)和雷帕霉素/IPI-504(RIP)的小鼠中治疗16小时的动物肿瘤组织的pAKT/AKT免疫球。所有错误栏均显示+/-SD。(另请参阅图S3)
HSP90抑制剂增强内质网应激,三种不同的内质网胁迫诱导剂(IPI-504、thapsigargin、tunicamycin)诱导了相同的治疗反应,这一观察结果支持了IPI-505通过触发过度内质网压力来介导其作用的假设。为了正式说明这种可能性,我们评估了sXBP1的异位表达,这是一种下游UPR成分,可以减少内质网应激(Ozcan等人,2008年),可能会减弱IPI-504的治疗效果。值得注意的是,sXBP1表达减少并延迟了IPI-504引起的细胞死亡(). 相反,识别PERK和IRE1的siRNAs使MPNST对低于阈值剂量的IPI-504敏感(). 这些数据共同表明,过度内质网应激在驱动治疗反应中起着因果作用。
雷帕霉素使MPNST对IPI-504致敏在体外就像它那样体内()TORC1的关键成分猛禽的基因消融也起到了同样的作用(). 雷帕霉素还增强了PERK和IRE1 siRNAs的抑制作用(). 然而,这种组合不如雷帕霉素和IPI-504有效,这与PERK和IRE1失稳有助于治疗反应的概念一致,但并不完全介导HSP90抑制的作用,HSP90对这些受损癌细胞中的蛋白质稳态具有更全面的影响。因此,遗传和化学研究均表明,IPI-504和雷帕霉素通过其预期靶点(HSP90和TORC1)发挥作用,内质网应激是治疗反应的重要介体。有趣的是,虽然蛋白酶体抑制剂硼替佐米可以在专业分泌细胞(例如多发性骨髓瘤细胞)中诱导蛋白毒性应激,但硼替佐米未实质性诱导MPNST中的内质网应激,与雷帕霉素联合使用时也未促进肿瘤退退(图S3B),进一步强调了内质网应激反应在介导观察到的治疗效果中的重要性。
mTOR抑制剂的临床疗效有限,这是由AKT激活引起的,AKT激活可通过抑制负反馈途径发生(Dancey等人,2009年). 然而,正如我们之前报道的那样,雷帕霉素在MPNST中没有诱导AKT激活体内() (Johannessen等人,2008年). 此外,雷帕霉素/IPI-504联合治疗并没有抑制AKT磷酸化或表达水平,这表明这种联合治疗并不更有效,因为它抑制了AKT(). 然而,mTOR激酶抑制剂或双重PI3K/mTOR抑制剂仍有可能通过同时抑制这一既定的生存途径,与HSP90抑制剂协同作用,甚至更有效。
雷帕霉素和IPI-504引起MPNST内质网和线粒体的灾难性破坏体内
为了阐明雷帕霉素/IPI-504联合治疗的生物学后果,我们对MPNST进行了透射电镜观察体内在7小时内,雷帕霉素/IPI-504诱导了双膜囊泡的大量积聚()(n=5)。这些结构显示出自噬体的细胞特征,并含有可见的货物() (Klonsky等人,2008年). 内质网和线粒体都可以作为自噬体膜的来源(Hayashi Nishino等人,2009年;Yla-Anttila等人,2009年; Hailey等人)。我们检测到在雷帕霉素/IPI-504的作用下,两个细胞器中都出现了自噬体,其意义将在下文讨论(). 自噬血管的出现可以由自噬诱导引起,也可以在生产性自噬受阻时发生(Klonsky等人,2008年). 然而,雷帕霉素/IPI-504诱导了这些肿瘤中p62/SQSTM1的降解,这是产生性自噬的结果() (Klonsky等人,2008年). 此外,雷帕霉素/IPI-504触发了MPNST中LC3表达点的快速增加,随后不久与溶菌体融合,表明自噬是诱导而非阻断的() (N'Diaye等人,2009年;Pankiv等人,2007年). 值得注意的是,过度内质网应激会激活自噬,自噬是降解未折叠蛋白聚集体的保护机制(Hotamisligil,2010年). 然而,虽然IPI-504和雷帕霉素都能诱导促进自噬的信号,但每种药物都无法单独诱导有效的自噬反应体内()这表明这些药剂在某种程度上起到了协同作用。
IPI-504和雷帕霉素引起MPNST内质网和线粒体的灾难性破坏(A)载体、IPI-504、雷帕霉素或雷帕霉素/IPI-504治疗7小时后肿瘤的透射电镜(TEM)图像(5900×1.4×)。(B)用雷帕霉素/IPI-504治疗7小时肿瘤的TEM图像(15000×1.4×)。黑色箭头表示带有货物的双层自噬体。(C)用雷帕霉素/IPI-504处理7小时的肿瘤的TEM图像。黑色箭头显示自噬体从线粒体(左侧)和ER(右侧)发出。(D)(顶部)用载体(V)、IPI-504(I)、雷帕霉素(R)或雷帕霉素和IPI-505(RIP)处理的动物MPNST组织p62(SQSTM1)的免疫印迹。(下图)第二个免疫印迹显示RIP治疗的其他肿瘤中p62水平降低。(E)用mCherry-EGFP-LC3B感染S462细胞,并用100nM雷帕霉素和4μM IPI-504处理2和8小时。黄色/绿色斑点代表自噬体。红色斑点代表自噬溶酶体。(F)条形图表示雷帕霉素和IPI-504治疗0、2和8小时后自噬体(黄色条)和自噬溶酶体(红色条)的平均数量。(G)说明内质网应激、线粒体和活性氧生成之间相互作用的模型。(H)TEM显示暴露于载体、IPI-504、雷帕霉素或雷帕霉素/IPI-504的肿瘤中ER的相对大小。(一)TEM显示,雷帕霉素治疗的肿瘤(蓝色圆点)中存在大量内质网膜,而与雷帕霉素/IPI-504暴露16小时的肿瘤相比,这些肿瘤不可见。黑色箭头显示,雷帕霉素治疗的肿瘤中有一些自噬体,而雷帕霉素/IPI-504治疗的肿瘤则有许多。(J)TEM显示载体治疗肿瘤中的正常线粒体(蓝色箭头,左)与雷帕霉素/IPI-504治疗肿瘤中肿胀的囊泡化线粒体16小时(蓝色箭头(右))。图中左侧的线粒体被自噬体吞噬。(另请参见图S4)
为了研究这种协同作用,我们检测了MPNST中的ER和线粒体。值得注意的是,在内质网应激反应中,内质网和线粒体之间存在复杂的相互依赖关系(Malhotra和Kaufman,2007年) (). 内质网应激触发钙离子内释放,促进线粒体膜去极化和活性氧的产生(Malhotra和Kaufman,2007年;Kim等人,2008年). 活性氧进一步促进蛋白质错误折叠,从而增强内质网应激。为了应对低水平的内质网应激,需要进行适应性反应;然而,当内质网应激水平变得不可逾越时,恶性循环随之发生,导致内质网、线粒体和细胞死亡的灾难性损害(Malhotra和Kaufman,2007年). 与雷帕霉素和IPI-504协同诱导无法解决的内质网应激的概念一致,我们在7小时内观察到内质网严重肿胀(). 此外,我们检测到多泛素化蛋白聚集体的显著积累,这是在未折叠蛋白积累时发生的(图S4). 有趣的是,16小时后,在雷帕霉素/IPI-504治疗的肿瘤中几乎检测不到内质网膜()这表明内质网膜可能已被这些膜发出的过度持续自噬耗尽。最后,由于过度内质网应激最终会引发严重的线粒体损伤,16小时后线粒体肿胀、高度囊泡化,并被自噬体吞噬(线粒体吞噬)(). 雷帕霉素/IPI-504联合治疗对自噬、内质网肿胀和破坏以及线粒体损伤的显著影响在所有检查过的肿瘤中观察到(每种情况≥5/5),而在暴露于单一药物的动物肿瘤中未检测到。
氧化应激在调节雷帕霉素和IPI-504的治疗反应中起着关键作用
这些观察结果表明,雷帕霉素和IPI-504通过诱导不可溶解的内质网应激、持续自噬以及内质网和线粒体的渐进性损伤,促进肿瘤退行(). 由于活性氧被认为在助长这种恶性循环中起着关键作用,我们评估了治疗反应中对活性氧的需求在体外和体内重要的是,IPI-504触发了ROS生产()抗氧化剂维生素C抑制MPNST细胞死亡73%(). 更引人注目的是,当小鼠预先服用维生素C时,雷帕霉素/IPI-504不再能够诱导肿瘤消退(). 因为geldanamcyin衍生物除了对HSP90的作用外,还可以通过机制诱导ROS(Sreedhar等人,2003年),我们评估了一种结构无关的HSP90抑制剂。值得注意的是,BEP800还导致活性氧产量增加(图S5A). 维生素C也将这种药物的治疗效果抑制了78%(),提供了额外的证据,证明ROS是对这类药物产生反应的细胞死亡的一般介质。
氧化应激在调节IPI-504和雷帕霉素的治疗反应中起着关键作用(A)IPI-504诱导MPNST细胞活性氧水平的变化在体外。红线表示荧光强度的变化,反映活性氧的产生。(B)500nM IPI-504+/-100uM维生素C存在下的细胞死亡相对水平。(C)瀑布图描述了雷帕霉素/IPI-504治疗10天后的肿瘤生长,如(绿色)与雷帕霉素/IPI-504和维生素C(黑色)。左y轴表示肿瘤折叠生长与第0天的对数。(D)500nM BEP800+/-100uM维生素C引起的细胞死亡相对水平。(E)(前4幅)如图所示,使用PML抗体(绿色)对治疗7小时的肿瘤进行免疫细胞化学。(底部2个面板)冷冻MPNST肿瘤组织的二氢乙硫啶染色(红色)显示在治疗7小时后,ROS水平随着Rap/IPI-504的反应而增加。(F)IPI-504/Rap诱导S462细胞活性氧的动力学。(G)S462细胞对IPI-504/Rap的反应中ADP/ATP比率的动力学。请注意,ROS的产生先于ADP/ATP水平的增加(ATP的减少)。(H)如图所示,治疗7小时的动物肿瘤中的SREBP1 mRNA水平。(一)免疫印迹显示FASN、ACC和G6PD在治疗7h的动物肿瘤中的表达。Actin用作加载控件。(J)按照i。(K)用载体或雷帕霉素/IPI-504治疗的肿瘤中还原型谷胱甘肽(GSH)的相对水平(n-6)。(左)在体外表达G6PD或GFP控制质粒的细胞中,IPI-504引起的细胞死亡的相对水平。免疫印迹显示左侧面板中使用的MPNST中的G6PD蛋白水平。(另请参见图S5)
鉴于活性氧的重要性,我们研究了IPI-504和雷帕霉素是否可能通过增强氧化应激在这些肿瘤中发挥协同作用。PML已被提议为体内氧化应激传感器,因为它以活性氧依赖的方式与核体相关(Jeanne等人,2010年). 有趣的是,只有雷帕霉素/IPI-504治疗才能诱导MPNST中含有PML的核小体的形成()这表明雷帕霉素和IPI-504共同作用才能达到最大程度的氧化应激。这些结果通过使用二氢乙硫酸氢钠(DHE)测量肿瘤组织中的活性氧水平得到了证实,其中活性氧在治疗后7小时内升高(). 此外,维生素C抑制了多泛素聚集体的积累(图S5B)核PML体的形成(图S5C)强大而持续的自噬反应(图S5D)内质网肿胀和破坏以及线粒体损伤(图S5E). 总之,这些结果表明氧化应激是治疗反应所必需的体内发现ER肿胀、蛋白质聚集和ROS生成均发生在治疗后7小时内(参见,S4系列,)在ATP耗尽和线粒体破坏之前(和),表明这些效应是由内质网应激触发的,不是线粒体代谢崩溃的次要后果。sXBP1抑制细胞死亡的观察进一步支持了这一结论().
雷帕霉素和IPI-504通过诱导ROS并同时抑制G6PD/谷胱甘肽抗氧化途径促进过度氧化应激
氧化应激是由活性氧生成和清除途径之间的不平衡引起的。鉴于IPI-504刺激ROS的产生,我们研究了雷帕霉素是否可能通过抑制内源性抗氧化剂来增强IPI-504的作用。由于谷胱甘肽(GSH)的高浓度和维持氧化还原状态的核心作用,其还原形式是最重要的内源性细胞抗氧化剂之一(梅斯特和安德森,1983年). 谷胱甘肽的减少依赖于NADPH,NADPH主要由戊糖磷酸途径(PPP)产生。PPP的第一种也是限速酶是葡萄糖6-磷酸脱氢酶(G6PD)。因此,G6PD通过其对谷胱甘肽生成的影响,在保护细胞免受氧化应激方面发挥着公认的作用(Pandolfi等人,1995年; Xu等人;Efferth等人,2006年). 观察到G6PD的低形态突变是蚕豆症的基础,它会导致接触蚕豆和其他氧化应激源的受影响个体出现急性溶血性贫血,这一发现突显了G6PD在这一途径中的重要性(贝尔西,1973年). 有趣的是,G6PD和mTOR通路之间的直接联系最近已经建立。具体来说,G6PD的表达可以被mTOR抑制剂抑制在体外,通过对转录因子SREBP1的抑制作用(Duvel等人,2010年). 因此,我们检测了MPNST中该通路的成分(SREBP1、G6PD、GSH)。
与细胞研究显示SREPB1受mTOR调节一致(Duvel等人,2010年;Porstmann等人,2008年)雷帕霉素显著降低已知SREBP靶点的表达,包括SREBP1号机组自身,自动控制和FASN,体内7小时内(). IPI-504对SREBP1号机组但两种药剂一起减少了SREBP1号机组92%的表达,并有效抑制自动控制和FASN公司(). 雷帕霉素也被有效抑制G6PD公司MPNST肿瘤组织中的mRNA水平(). 然而,雷帕霉素单独对G6PD蛋白水平的影响并不一致()可能反映了G6PD蛋白在这一短时间内周转较慢。然而,雷帕霉素和IPI-504一起显著抑制了两者第6页MPNST的mRNA和蛋白表达体内(). 因此,雷帕霉素/IPI-504使这些肿瘤中还原型谷胱甘肽水平降低了34%(,p=0.003)。谷胱甘肽的这种下降幅度尤其显著,因为受蚕豆中毒影响的个体红细胞中谷胱甘氨酸的平均减少率同样为34%,这使这些细胞对氧化应激源敏感,导致严重的蛋白质错误折叠和蛋白质聚集形成(Szeinberg等人,1958年). 最后,为了从遗传学上证实G6PD在保护肿瘤细胞免受IPI-504诱导的氧化应激中发挥作用,我们在MPNST中体外表达了G6PD。重要的是,G6PD将IPI-504诱导的MPNST细胞死亡抑制50%(). 综上所述,这些数据表明,雷帕霉素和IPI-504通过促进过度氧化应激而协同作用,这是IPI-505诱导ROS生成和雷帕霉素依赖性抑制G6PD和GSH的结果。
雷帕霉素/IPI-504在一个肿瘤模型中促进肿瘤消退Kras/p53突变型非小细胞肺癌
为了确定这种组合的疗效是否会扩展到其他KRAS公司-我们在NSCLC小鼠模型中进行了类似的突变肿瘤研究(Jackson等人,2005年). 值得注意的是,非小细胞肺癌也是高度非整倍体,说明了这两种肿瘤类型之间的额外相似性。在这个模型中,肺腺癌是由腺病毒Cre鼻腔给药诱导的,它导致单一的喀斯特G12D系列等位基因与基因缺失第53页(称为LSL-喀斯特G12D系列/+;第53页飞行/飞行). 感染后8.5-9周,通过MRI评估肿瘤负担。1周后对动物进行重新成像,以评估肿瘤生长速度,然后开始治疗。在这种混合遗传背景下,在Cre暴露后10周内,50-80%的肿瘤被证实为腺癌(DuPage等人,2009年)(图S6). 雷帕霉素和IPI-504均未单独诱导肿瘤消退;然而,雷帕霉素/IPI-504联合治疗导致肿瘤显著缩小(). 6/8只小鼠表现出这种强有力的反应,根据MRI分析,个体反应性肿块缩小至82%(). 每只动物的肿瘤总体积(即每只小鼠多个独立肿瘤的总和)总体减少(). 治疗后两周的肿瘤组织学分析证实肿瘤明显消退(). 然而,尽管雷帕霉素/IPI-504对肿瘤的抑制作用很强,但仍检测到三种类型的肿瘤残留。在肺泡腔周围观察到由少数细胞组成的微小肿瘤残留(). 肺泡周围也检测到稍大的残余物(). 最后发现了一些病灶,尽管远小于载体、雷帕霉素或IPI-504治疗的肿瘤(). 然而,即使在这些病例中,也观察到肿瘤细胞之间存在明显的间隙,导致肺泡间隙增大()与对照动物中观察到的致密、高级别病变相反。此外,雷帕霉素/IPI-504治疗的动物的呼吸有了快速而明显的改善。并非所有肿瘤都表现出相同的治疗反应,这一观察结果与此模型中每个单独的肺部肿瘤代表一个独立的遗传事件这一事实相一致。值得注意的是,虽然MEK和PI3K抑制剂联合应用已被证明可促进携带MEK的小鼠非小细胞肺癌的肿瘤消退喀斯特G12D系列仅突变(Engelman等人,2008年),没有发现有针对性的治疗可以促进更具攻击性的喀斯特G12D系列,p53-肿瘤缺陷,强调了这一发现的重要性及其对治疗进展的潜在影响KRAS公司-突变型NSCLC。
Rapamcyin/IPI-504促进喀斯特G12D系列,p53-非小细胞肺癌缺乏(A)规定的动物治疗前后的MRI图像。红色圆圈突出肿瘤肿块。(B)表列出了MRI测定的单个肿瘤肿块的体积变化。(C)瀑布图,描绘用雷帕霉素和IPI-504治疗的个体动物中总肿瘤体积的减少。(D)治疗14天后肺组织切片的H&E染色(2×)。(E)使用载体、雷帕霉素、IPI-504或雷帕霉素/IPI-504治疗2周的动物皮损的H&E染色。图像b、d和f分别是图像a、c和e的放大。(另请参见图S6)
讨论
目前,还没有针对Ras-driven癌症的有效靶向治疗。此外,在一些癌症中KRAS公司突变被用来排除患者接受特定靶向药物治疗(Karapetis等人,2008年). 因此,确定Ras-driven肿瘤的靶向治疗是一项重要的努力。在这项研究中,我们采用了正交治疗方法:将靶向重要下游致癌途径(mTOR)的药物与利用癌相关细胞脆弱性的药物结合,特别是对蛋白毒性应激的敏感性增强(Luo等人,2009年). 重要的是,我们发现一些诱导内质网应激的药物,包括HSP90抑制剂IPI-504,与雷帕霉素合作,在两种不同的Ras驱动的癌症中促进显著的肿瘤消退。迄今为止,在这些高度侵袭性的基因工程模型中,或更重要的是,在同源人类肿瘤中,没有发现靶向药物能够导致肿瘤退化。鉴于这些人类癌症通常对标准疗法难以治愈,因此迫切需要改进治疗方法。因此,这些研究为这两种侵袭性恶性肿瘤确定了一种有希望的治疗策略。
然而,虽然我们发现这种联合治疗对两种特定的Ras驱动肿瘤有效,但重要的是确定其疗效是否会扩展到其他Ras驱动的肿瘤、其他mTOR驱动的肿瘤和/或其他表现出高水平内质网应激的肿瘤。我们的数据表明,这些因素的组合将参与其中,反应性肿瘤需要对mTOR有一定的依赖性,并且还会表现出高水平的ER应激。在分子水平上RAS、NF1以及可能影响mTOR通路的其他基因,可能会提高对这些联合药物的敏感性。尽管其他变量,例如非整倍体的程度或拷贝数的变化,可能会由于对基础内质网应激水平的直接影响而影响治疗反应。最近的观察表明,在某些情况下,非整倍体使正常细胞和癌细胞对蛋白毒性物质具有敏感性,这支持了这一假设(Tang等人,2011年).
最后,虽然这些研究提供了令人信服的数据来支持雷帕霉素和IPI-504的临床研究,但它们也为使用其他相关药物开发组合奠定了基础。例如,mTOR激酶或双mTOR/PI3K抑制剂可以增强这种组合的疗效。类似地,临床开发中有几种结构无关的HSP90抑制剂,它们应提供一系列疗效和/或毒性不同的化合物。此外,IPI-504和雷帕霉素的合作机制揭示了更广泛的药物选择。例如,其他增强蛋白毒性应激和/或改变热休克反应的药物可以与抑制抗氧化途径或进一步刺激活性氧生成的药物结合。在这方面值得注意的是,ROS的产生被认为在调节许多传统化学疗法的细胞毒性作用中起着功能作用。然而,如果靶向药物具有更好的耐受性,并因此提供更大的治疗指数,则可能证明其更有效。无论如何,如果仅将这些药物作为单一疗法用于基因异质性肿瘤,它们的潜在效用可能会被忽视,而单个药物可能表现出最小的活性。事实上,本研究中研究的单一药物在单独使用时均未产生细胞毒性反应。此外,我们的研究表明,潜在的药物组合需要在严格的模型中进行经验测试体内例如,虽然蛋白酶体抑制剂硼替佐米可以在专业分泌细胞(例如多发性骨髓瘤细胞)中诱导蛋白毒性应激,但硼替佐米并未实质性诱导MPNST中的内质网应激,因此与雷帕霉素合用时不会促进肿瘤退行。这些观察结果突显了开发有效的联合疗法的挑战,并强调了使用健壮的动物在众多可能性中快速确定最有效的药物组合的实用性。
实验程序
细胞系和试剂
S462、SNF96.2和IMR90(ATCC)。1A50和237-1为鼠标Nf1/p53型-MPNST缺陷细胞系(Johannessen等人,2008年). 抗体从以下来源获得:细胞信号技术:pAKT(4060)、AKT(9272)、pEIF2α(3557)、pS6(2211)、总S6(2317)、BIP(3183)、FASN(3180)、ACC(3676)和IREα(3294)、PERK(3192);抗p120(G12920)(Trans.Labs);Hsp70(Sc24)和p62(sc-10117)(圣克鲁斯生物技术);肌动蛋白(A2066)(西格玛);XBP-1(619502)(生物图例);poly-Ub(FK1)(Biolegend Int);PML(05-718)(密理博);G6PD(A300-404A)(Bethyl实验室)。Infinity Pharmaceuticals提供IPI-504和IPI-50四车辆;Thapsigargin、衣霉素17-AAG和抗坏血酸(维生素C)(Sigma);BEP800(Selleck Chemicals);922年8月(Chemietek);雷帕霉素(LC实验室)。
实时PCR
使用液氮冷却的Bessman组织粉碎机粉碎组织,并将其溶解在Trizol试剂(Invitrogen)中。RNA用DNaseI(Roche)处理,并使用qScript逆转录酶试剂盒(Quanta)逆转录。使用PerfeCTa SYBR Green试剂盒(Quanta)对以下基因进行实时PCR分析:小鼠G6PDx公司(5′-cctaccatctggtggctgtt-3′5′-tggctttaaagaaggctca-3′);人类G6PD公司(5′-aagaacgtgaagactccctga-3′5′-aatataggatgggcttgg-3′);鼠标SREBP1号机组(5′-gatcaagaggacaggc-3′5′-tagatgggctgctgagtg-3′);人类SREBP1号机组(5′-tgcatttgacaccttc-3′-5′-caagctgtacctcc-3′)。
RNA干扰
非靶向siRNA和针对PERK的siRNA分别从Dharmacon购买(D-001810-10-05和L-004883-00);靶向IREα的siRNA(Qiagen,S100605248)。使用来自Invitrogen的脂质体RNAiMAX转染siRNA。使用包含以下shRNA(5′-CGACTACACATCTCTCTCCGTGTA-3′)的慢病毒pLKO载体靶向猛禽。
免疫荧光
组织用福尔马林固定,石蜡包埋。遵循标准免疫荧光方案。通过将载玻片在10mM柠檬酸盐(pH 6)中煮沸10分钟,然后冷却30分钟,进行抗原揭开。在含有5%血清和0.3%Triton X-100的1×PBS中进行阻断和杂交。抗体以1:250稀释。
TUNEL染色、ROS检测、GSH分析和ADP/ATP比率
使用ApopTag荧光素原位凋亡检测试剂盒(Millipore)进行TUNEL染色。在体外通过MitoSOX红(M36008)和在快速冷冻肿瘤切片(D11347)中通过二氢乙锭染色评估活性氧物种(均为Invitrogen)。使用GSH-glo谷胱甘肽测定试剂盒(Promega,V6911)测量GSH。使用ApoSENSOR ADP/ATP比值测定试剂盒(K255-200)(Biovision)测定ADP/ATP比率。
构件
将人G6PD(Open Biosystems)和小鼠sXBP-1克隆到pLenti CMV/TO Puro载体中。pBabe-puro mCherry-EGFP-LC3B构建物来自Addgene。如前所述进行慢病毒和逆转录病毒感染(Johannessen等人,2005年).
药物治疗和给药时间表
根据NIH实验动物护理和使用协会和动物福利法案,动物程序由哈佛医学院动物和比较医学中心批准。每周服用一次或两次IPI-504(100mg/kg)。每周给药两次Thapsigargin(0.2mg/kg)和tunicamycin(0.2g/kg)。雷帕霉素每日给药5mg/kg(Johannessen等人,2008年). 按顺序给药组合中的化合物。在IP注射雷帕霉素和IPI-504之前,小鼠每天口服40mg/kg维生素C。
肿瘤体积测量
MPNST模型
当肿瘤大小达到300-700mm时,小鼠被纳入研究三.每2-3天用游标卡尺测量肿瘤大小。使用标准公式L×W计算肿瘤体积2× 52. 计算肿瘤体积和与第0天相比的倍增长log2并绘制图表。
肺癌模型
小鼠通过鼻腔滴注感染腺病毒Cre(爱荷华大学)(Jackson等人,2005年). 吸入8周后通过MRI测定肿瘤负担,1周后再次测定(Engelman等人,2008年). 吸入9周后,将荷瘤小鼠分为两组,分别给予单剂或双剂治疗2周。最后一次MRI检查后采集肺组织进行组织病理学检查。固定肺组织用H&E染色,随后用ImageJ软件(NIH)分析肿瘤负担。
相对长度单位
在单次给药7和16小时后,固定肿瘤组织进行EM检查,并根据标准EM技术进行进一步处理(Barth等人)。
统计
所有统计分析均使用SYSTAT 12软件进行。计算每个数据集的基本统计值(平均值和标准偏差)并确定正态性(Shapiro-Wilk正态性检验);所有数据集均为正态分布。将Thapsigargin和IPI-504与载体治疗的肿瘤进行比较;通过Student t检验,将雷帕霉素/他司加金和雷帕霉素/IPI-504与仅经雷帕霉素治疗的肿瘤进行比较。生存分析采用Mandel方法进行。为了比较肺癌模型中的肺癌负担,我们进行了方差分析测试,然后进行了学生t检验。