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WHAT？ 合成致死
目前，惡性腫瘤的靶向治療通常是針對 “癌基因成癮”。其中最典型的例子是，約90%的慢性粒細胞白血病（CML）患者均存在BCR/ABL融合基因，而腫瘤細胞正是依賴這個基因產生的蛋白生存，對于正常細胞，它們并不依賴于該基因。因此，靶向BCR/ABL的imatinib能夠顯著延長CML患者的生存期，同時對正常細胞的毒性較小。
名詞解釋 “癌基因成癮”，是指腫瘤細胞依賴于某個活化的癌基因生存
另一種腫瘤的治療概念是合成致死，是期望達到只殺傷腫瘤細胞，而對正常細胞無明顯影響的目的。這個概念已被成功用于PARP抑制劑治療BRCA 1/2突變的卵巢癌。
名詞解釋 “合成致死”，是指當基因A的功能缺失時，細胞依賴基因B生存，即抑制基因B同時基因A功能缺失導致細胞死亡，但僅在基因A功能缺失或單獨抑制基因B的情況下均不影響細胞生存。
▲癌基因成癮與合成致死
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DDR中的合成致死：家族遺傳性BRCA突變與PARP抑制劑
各種內源、外源性因素都會導致細胞DNA損傷，細胞通過一系列的分子途徑：DNA損傷應答（DDR）識別DNA損傷 >>> 阻止細胞周期 >>> 介導DNA修復 >>> 保持細胞基因組的完整以及穩定。其中聚（ADP-核糖）聚合酶（簡稱PARP，主要是PARP1和PARP2）是DDR中的關鍵蛋白之一。PARP1能夠識別DNA單鏈斷裂（SSB），當它結合在單鏈斷裂位點時，會激活其催化功能，合成多聚ADP核糖鏈（PAR）并組裝在一些蛋白上（PARylation），從而募集DNA損傷修復蛋白到損傷位點修復損傷的DNA。最終，PARP自身也會組裝上PAR，使其從修復完成的DNA上解離。
在了解了PARP的功能之后，PARP抑制劑被逐漸開發出來。科學家們起初開發PARP抑制劑是希望它們能夠增敏傳統的DNA損傷療法，包括多種化療藥物以及放療，這是PARP抑制劑另一種合成致死方式，稱為“PARP trapping”，后文將做詳細介紹。直到2005年，兩個課題組同時報道了PARP抑制劑和BRCA1/2功能缺失突變的合成致死，展現了一種對攜帶BRCA突變腫瘤全新的治療概念。
▲PARP與DNA受損部位結合
攜帶家族遺傳性BRCA1或BRCA2突變的人群發生惡性腫瘤的風險顯著提高，特別是乳腺癌和卵巢癌。BRCA1和BRCA2均是DNA雙鏈斷裂（DSB）同源重組修復（HRR）的關鍵蛋白，對于家族遺傳性乳腺癌患者，通常是因為遺傳了BRCA1或BRCA2基因中一個同源染色體上的功能缺失型突變（雜合突變，BRCA+/-），在生命過程中，一些細胞會丟失另外一個同源染色體上的BRCA1或BRCA2的功能，成為純合突變（BRCA-/-），BRCA功能的喪失導致HRR功能缺失，DNA雙鏈斷裂修復受阻，引起基因組不穩定，從而引發腫瘤。但其它BRCA雜合突變（BRCA+/-）的細胞仍能正常產生BRCA蛋白，參與DNA雙鏈斷裂修復。
腫瘤細胞中每天會產生約104個SSB，這些損傷需要PARP介導的修復過程修復，當PARP活性受到抑制時，SSB持續累積，在DNA復制的過程中，DNA單鏈斷裂轉變為DNA雙鏈斷裂，而復制過程中產生的DSB主要依賴于HR修復。對于BRCA1/2突變的腫瘤患者，腫瘤細胞HRR功能缺失，DSB修復無法完成，而大量的DSB累積造成DNA復制崩潰，細胞死亡。相比于BRCA功能完善的腫瘤細胞，BRCA功能缺失的腫瘤細胞對PARP抑制劑的敏感性是前者的約1000倍。對于這些患者的正常細胞，由于只攜帶了雜合BRCA突變，可以產生功能正常的BRCA蛋白，因此，PARP抑制劑對它們影響較小。這是科學家們對PARP抑制劑合成致死的最初認識。
在后續的研究中，科學家們發現， Talazoparib和Olaparib在PARP催化活性上的抑制率相當，但Talazoparib對BRCA突變的腫瘤細胞的細胞毒顯著高于Olaparib。另外，在BRCA功能正常的細胞株中，聯合使用無細胞毒的DNA損傷劑甲磺酸甲酯（MMS）和PARP抑制劑，也產生合成致死。后經研究發現，PARP抑制劑不僅能夠抑制PARP的催化活性，還能夠穩定PARP蛋白和DNA的復合物，稱為“PARP trapping”。當產生DNA單鏈斷裂時，PARP蛋白會結合在斷裂位點，這時PARP抑制劑和PARP結合，使PARP的催化功能喪失，影響了PARP自身的PARylation，導致PARP蛋白無法從DNA上解離。這里，PARP像一把掛在DNA上的鎖，而PARP抑制劑像一把斷在鎖芯中的鑰匙，它牢固的結合在鎖芯中，卻無法開鎖，同時也阻止其他鑰匙開鎖。因此，PARP抑制劑使PARP和DNA形成穩定的復合物，而PARP-DNA復合物具有強烈的細胞毒性，最終引起細胞死亡。前面提到，MMS是一種DNA損傷試劑，能夠增加DNA單鏈斷裂數目，這樣PARP抑制劑可以造成更多的“PARP trapping”，因此對BRCA功能正常的細胞也有合成致死效應。雖然Talazoparib、Niraparib、Olaparib和Niraparib對PARP催化抑制活性相當，但“PARP trapping”的能力有很大差別，Talazoparib的“PARP trapping”能力最強，約為Olaparib的100倍，其次是Niraparib，而Veliparib最弱。這也部分解釋了PARP抑制活性相當的PARP抑制劑對BRCA突變的腫瘤細胞具有不同的細胞毒的原因。
▲PARP抑制劑的作用機理
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PARP抑制劑的臨床現狀
PARP的主要功能是催化PAR的合成，使多種DNA修復蛋白PARylation，參與DNA修復，它的底物的輔酶I（NAD+），經典的PARP抑制劑是結合在PARP的底物結合域，因此PARP抑制劑都是其底物類似物。幾乎所有的PARP抑制劑都有芳酰胺部分，來模擬NAD+中的煙酰胺，從而競爭性的阻斷PARP的催化活性。PARP抑制劑最初進入臨床試驗是和化療藥物temozolimide構成的聯合療法，隨著PARP抑制劑和BRCA突變腫瘤合成致死的研究被報道之后，PARP抑制劑在臨床上被用于治療BRCA1/2突變的乳腺癌和卵巢癌患者。目前，已經有3個PARP抑制劑被FDA批準上市，數十種PARP抑制劑在各階段臨床試驗，下面分別予以介紹。
▲PARP抑制劑
Olaparib
Olaparib是AstraZeneca公司開發的PARP抑制劑，2014年12月19日，FDA批準其用于治療既往接受過兩次以上治療且攜帶種系BRCA突變的晚期卵巢癌患者，這是第一種利用合成致死概念獲得FDA批準的抗腫瘤藥物。2015年，諾貝爾化學獎頒給了研究DNA損傷修復的科學家，也是對這一治療概念的肯定。臨床研究發現，對于能夠從鉑類化療藥物中獲益的BRCA突變的卵巢癌患者，Olaparib對他們同樣有效，而對鉑不敏感的卵巢癌患者對Olaparib通常無響應，說明兩種療法可能基于同樣的機理。在近期的一項大型III期臨床試驗中，攜帶種系BRCA突變且對鉑類化療藥物敏感的復發性卵巢癌接受Olaparib治療（300 mg片劑，每日2次）的患者，中位無進展生存期高達30.2個月，而安慰劑組僅為5.5個月，常見的副作用是頭暈、乏力、嘔吐、貧血中性粒細胞減少以及血小板減少等，與之前報道的副作用較為一致，這說明了Olaparib作為維持療法治療攜帶BRCA突變的復發性卵巢癌的潛力。目前，Olaparib有多個針對不同腫瘤的臨床試驗正在進行。
▲Olaparib
Rucaparib
Clovis公司的PARP抑制劑Rucaparib是最早推向臨床試驗的PARP抑制劑。2016年12月19日，Rucaparib被FDA批準用于治療攜帶種系或體細胞BRCA基因突變且至少接受過兩種治療方案的晚期卵巢癌，該上市批準依據的是一項106名患者的III期臨床試驗，患者接受600毫克每天的口服治療，客觀緩解率（ORR）為54%，完全緩解（CR）9%，中位持續緩解時間為9.2個月。這些卵巢癌患者對鉑類化療藥物的敏感性和對Rucaparib的敏感性高度一致，鉑類敏感患者ORR為66%，鉑類抵抗患者為25%，鉑類難治性患者為0%。常見的副作用是惡心、疲勞、貧血等。但Rucaparib可能存在潛在的治療風險，包括骨髓增生異常綜合征、急性髓細胞白血病以及胎兒異常。在之前的研究中發現，相比于Olaparib和Talazoparib，高濃度的Rucaparib會產生脫靶的細胞毒效應，但是目前并不清楚這些脫靶效應是否是引起其毒副作用的主要原因。
▲Rucaparib
Niraparib
Tesaro公司的PARP抑制劑Niraparib針對鉑敏感的晚期卵巢癌III期臨床試驗已經完成，于2017年3月27日被FDA批準上市，用于接受鉑類藥物治療后完全應答或部分應答但又復發的成人卵巢上皮癌、輸卵管癌和原發性腹膜癌的維持治療，而且無需檢測BRCA基因型。在III期臨床試驗中，203例既往接受至少2種鉑類為基礎治療且攜帶BRCA突變的患者，接受每日300毫克Niraparib治療的患者，和安慰劑組相比，中位無進展生存期顯著延長（Niraparib組21.0個月 vs 安慰劑組5.5個月）。和Olaparib和Rucaparib不同的是，Niraparib的臨床實驗不僅將BRCA突變的卵巢癌患者納入組中，還選取了350例不攜帶BRCA突變患者，研究發現，這組患者中位無進展生存期為9.3個月，安慰劑組為3.9個月，其中不攜帶BRCA突變但存在HRR缺陷的患者，Niraparib組中位無進展生存期為12.9個月，相比安慰劑組3.8個月明顯改善。這表明，Niraparib不僅對BRCA突變的腫瘤具有合成致死效應，和其他DNA雙鏈修復缺陷也形成合成致死。常見的3-4級不良反應為血小板減少、貧血以及中性粒細胞減少。
▲Niraparib
Talazoparib
Talazoparib的多個臨床試驗正在進行中，其中包括針對攜帶BRCA突變的晚期乳腺癌III期臨床試驗。在之前的一項臨床試驗中，13名攜帶BRCA1/2突變的乳腺癌患者接受Talazoparib的新輔助治療，兩個月后，所有患者的腫瘤均縮小，目前這一療法正在進行4-6個月新輔助治療的臨床試驗。在臨床前研究中發現，Talazoparib具有卓越的PARP trapping能力，其對BRCA突變腫瘤細胞的毒性是Niraparib的100倍。因此在臨床試驗中，Talazoparib的臨床劑量非常低，僅每日1 mg。
▲Talazoparib的結構式，正在多項臨床測試中
Iniparib
Iniparib曾經被認為是PARP抑制劑，并且和傳統PARP抑制劑作用機理不同。在II期臨床試驗中Iniparib與吉西他濱及卡鉑聯合使用治療三陰性乳腺癌取得了令人矚目的效果，能夠增加無進展生存期和總生存期，且不增加毒性。然而，非小細胞肺癌和鉑耐藥卵巢癌的III期臨床試驗均告失敗。而且，該分子不能選擇性的殺傷BRCA突變的腫瘤細胞。經過詳細的研究，最終發現Iniparib不是真正意義上的PARP抑制劑，它的抗腫瘤活性不是因為抑制PARP引起。Iniparib和Olaparib的幾個大型III期臨床試驗失敗使當時的制藥公司對PARP抑制劑的熱情減弱，AstraZeneca終止了PARP計劃，其他的一些大型制藥公司也賤價出售了它們的PARP產品。之后，AstraZeneca公司從以往的臨床數據中發現，對于BRCA突變的腫瘤，PARP抑制劑具有卓越的療效，并重啟了Olaparib治療攜帶BRCA突變卵巢癌的III期臨床試驗，使人們重新對這類藥物提起興趣。Iniparib也成為藥物開發中的典型反例。
▲Iniparib 后被證實不是PARP抑制劑
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展望
PARP抑制劑用于治療BRCA突變的腫瘤成功將合成致死這一治療概念應用于腫瘤的治療，但目前PARP抑制劑的應用已經不局限于BRCA突變的腫瘤，具有HRR功能缺失的腫瘤，PARP抑制劑同樣使患者受益。對于不攜帶BRCA突變的腫瘤細胞，其他DNA修復過程的基因突變也可能導致細胞HRR功能缺失，從而對PARP抑制劑敏感。在一項II期臨床試驗中，約30%的去勢抵抗的轉移性前列腺癌患者對Olaparib的治療有響應，而這部分患者的腫瘤中半數具有BRCA2或ATM（一種DNA雙鏈斷裂修復響應蛋白）功能缺失。另一項Olaparib針對轉移性胰腺癌的II期臨床試驗正在招募患者，該臨床試驗的要求患者攜帶BRCA、RAD51或ATM突變，這些都是HRR的關鍵蛋白。另外，一些晚期卵巢癌患者雖然不攜帶DNA修復的基因突變，但他們的腫瘤中存在BRCA1或RAD51啟動子高甲基化現象，這一表觀遺傳學的改變會使BRCA1和RAD51基因沉默，同樣造成HRR功能缺失，這部分患者也受益于PARP抑制劑。在一項Rucaparib的II期臨床試驗中，BRCA1和RAD51啟動子高甲基化的患者被納入治療組，其ORR為48%。因此，PARP抑制劑合成致死的概念有望推廣到其他類型的腫瘤治療中，使更多的腫瘤患者從中獲益。
目前PARP抑制劑仍然面臨著許多挑戰。第一， PARP抑制劑的適應癥的擴展。通過進一步的挖掘和分析PARP的抗腫瘤作用機理，找出更精準的生物標志物實現個體精準化治療，是PARP抑制劑擴大適應癥的關鍵；第二，克服腫瘤細胞對PARP抑制劑的耐藥性。這一點上，需要研究PARP抑制劑產生耐藥的具體分子機制，例如BRCA基因的次級突變使HRR功能恢復，或PARP基因突變導致PARP抑制劑和PARP蛋白的作用力下降等。針對這些問題，發現臨床手段來延緩或阻止耐藥性的產生；第三，優化PARP抑制劑和其他藥物的聯合療法。PARP抑制劑最早設計出來是用來組合化療藥物來增加療效。然而，通過長時間的臨床試驗發現，這些組合存在各種問題，結果也大多令人失望。由于毒性過大、聯合用藥療效沒有顯著提高等因素，許多PARP抑制劑和化療藥物的組合療法在III期臨床試驗都失敗了。獲得成功的組合療法，需要深入研究藥物組合產生協同抗腫瘤的作用機理，從而合理設計和發現新的PARP抑制劑的聯合療法。相信在不久的將來，PARP抑制劑可以惠及更多的腫瘤患者，使他們生命延長，生活質量更好。
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