I recettori della famiglia erbB/HER come bersaglio terapeutico Giampaolo Tortora Divisione di...

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I recettori della famiglia I recettori della famiglia erbB/HER erbB/HER come bersaglio terapeutico come bersaglio terapeutico Giampaolo Tortora Divisione di Oncologia Medica e Laboratori di Terapia Molecolare dei Tumori Dipartimento di Endocrinologia e Oncologia Molecolare e Clinica Università di Napoli “Federico II”

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I recettori della famiglia erbB/HER I recettori della famiglia erbB/HER

come bersaglio terapeuticocome bersaglio terapeutico

Giampaolo Tortora

Divisione di Oncologia Medica

e Laboratori di Terapia Molecolare dei Tumori

Dipartimento di Endocrinologia e Oncologia Molecolare e Clinica

Università di Napoli “Federico II”

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Fibroblast

Autocrine and Paracrine growth regulation

VEGF

First evidence by Sporn, M. and Todaro, G. New England Journal of Medicine 1980; 383: 878

TGF

TGFTGF

Autocrine Growth Paracrine Growth

VEGF

VEGF

Endothelial cells

TGF

Tortora & Ciardiello, 2003

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Increasing Complexity of Growth Factors and Increasing Complexity of Growth Factors and Receptors of the EGF Family in EvolutionReceptors of the EGF Family in Evolution

Species Receptors Ligands

C. elegans LET-23 LIN-3

D. melanogaster DER I + II + III(splice variants)

SpitzVeinGurkenArgos (inhibitor)

H. sapiens EGFRHER2/neu (c-erbB-2) HER3 (c-erbB-3)HER4 (c-erbB-4)

EGFTGF AmphiregulinHB-EGF, Betacellulin, Epiregulin, NRG-1,2,3,4

Yarden et al., 2002

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EGFTGF

Amphiregulin-cellulinHB-EGF

Epiregulin Heregulins

NRG2NRG3

Heregulins-cellulin

Cysteine-richdomains

Tyrosine kinasedomain

HER1EGFRErbB-1

HER2/neuErbB-2

HER3ErbB-3

HER4ErbB-4

C-terminus

100

100

100

44

82

33

36

59

24

48

79

28

The EGFR (erbB) Family and Ligands

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nucleus

EGFR EGFR

HER2/neu

Ligand-induced Receptor Dimerization

Cell Membrane

TGF

HER2/

neu HER3TGF

EGFRHER4

tyrosinekinase

tyrosinekinase

EGFR

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Signal transduction through EGFR, ErbB-2 and ErbB-3:heterodimer formation

K K

Ligand

EGFR ErbB-2

Ligand

ErbB-2 ErbB-3

K

Ligand

EGFR ErbB-3

K

Normanno et al., J Cell Physiol 2002

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The HER/erbB Signaling Network

Yarden Y and Sliwkowski M. Nat Rev Mol Cell Biol 2001; 2: 127–37.

SrcCbl

PLC PI3KShp2 GAP

Akt

Bad S6KPKC

Sos

Grb2 Nck

Ras-GTP

Ras-GDP

MAPKMEK

RAF

JNKJNKK

PAKAbl

Rac

Vav

ShcGrb7

CrkJak

CytokinesNRG3(4)

NRG2(4)

NRG1(3,4)

Amphi-regulin

(1)

HB-EGF(1,4)

-cellulin(1)

Epiregulin(1,4)

EGF(1)

TGF(1)

LPA,thrombinET, etc.

NRG4(4)

ElkJun

FosMycSp1 Egr1 Stat

1 31

122 2

124 1 4 3 2

4 443 3 3

Inputlayer

Outputlayer

Apoptosis Migration Growth Adhesion Differentiation

Ligands

Receptordimers

Signalling cascade

Transcriptionfactors

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EGFR Activation by Other Receptor Signaling Pathways

Cell Membranetyrosinekinase

EGFR

GPCRIntegrins

Cytokine receptors VGCC

Ca++

Ca++

SrcPKC

JAK2

?

Survival MotilityProliferation

?

EndothelinA

Tortora & Ciardiello, 2004

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PKAI

PI-3KPLCγ

py

tyrosinekinase

GRB2 SOSp21ras

raf

MEK

MAPK

y py p

EGF TGFα

y

EGFR

p

Cell proliferation Angiogenesis

Prostaglandins

COX-2

Tortora et al. , 2003

COX-2 is involved in EGFR-dependent signaling

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HP and EGFR

Helicobacter pylori VacA toxin up-regulates VEGF expression in gastric cancer cells through an EGFR-, COX-2-dependent mechanism.

EGFRHP VacA toxin

COX-2

VEGF Endothelial cells

VEGF

VEGF

Gastric cancercells

Caputo et al., 2003

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Mechanisms of EGFR Dysregulation

Overexpress Ligand

Overexpress Receptors

Mutations ConferringConstitutive Activity

EGFRv.II/III

EGFRv.I Defective

Internalizationor

DefectiveDownregulation by Phosphatase

Tortora & Ciardiello, 2004 (Modified by Wiley and Burke. Traffic. 2001;2:12).

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PKAI

ras raf

MEK

PI-3KPLC py

tyrosinekinase

GRB2 SOSy py p

EGF TGF

y

EGFRerbB2erbB3erbB4

p

Cyclin D1

CDK

Rb

Proliferazione Cellulare

AKTPTEN

Effetti pleiotropici dell’attivazione di EGFR

MAPK

Bcl-2

Angiogenesi

Invasione,metastasi

SopravvivenzaAnti-apoptosi

Resistenza a Chemioterapia,Resistenza a Chemioterapia,Radioterapia e OrmonoterapiaRadioterapia e Ormonoterapia

VEGFCOX-2

Tortora & Ciardiello, 2003

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lung 40-80% 

18-60% 

25-85% NA

breast 14-91% 

9-39% 

22-90% 82%

stomach 33-74% 

8-40% 

35-100% NA

colon 25-77% 

11-20% 

65-89% NA

esophagus 43-89% 7-64% 64% 

NA

liver 47-68% 0-29% 84% 

61%

pancreas 30-50% 

19-45% 

57-63% 81%

prostate 40-80% 

40-80% 

22-96% NA

kidney 50-90% 

0-40% 

0 NA

bladder 35-86% 9-50% 30-56% 

30%

ovary 35-70% 

8-32% 

85% 93%

Type of cancer EGFR ErbB-2 ErbB-3 

ErbB-4

head and neck 36-100% 17-53% 81% 

28-69%

Normanno, Endocr Relat Cancer 2003

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Grandis JR et al. J Natl Cancer Inst 1998; 90: 824–832.

EGFR

Low

Medium

Highp=0.0001

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0Pro

po

rtio

n s

urv

ivin

g w

ith

NE

D

0 1 2 3 4 5 6Years after surgery

TGF

p=0.0001

Low

Medium

High

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0Pro

po

rtio

n s

urv

ivin

g w

ith

NE

D

0 1 2 3 4 5 6

Years after surgery

Disease-free Survival According to EGFR and TGF Levels in HNSCC

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58 consecutive prostate patients treated with radical prostatectomy

Di Lorenzo et al. Clin Cancer Res 2002; 8: 3438-3444.

EGFR Expression and Disease-freeSurvival in Operable Prostate Cancer

0 10 20 30 40 50 60

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

EGFR negative

EGFR positive

p<0.00004

Dis

eas

e fr

ee

su

rviv

al

Months

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EGFR Expression and disease features

Metastasis, advanced disease

Poor outcome

Resistance to chemotherapy, hormonotherapy, radiotherapy

Overexpression associated with:

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Reprinted with permission from Slamon DJ et al. Science 1987; 235: 177-182. Copyright 1987. American Association for the Advancement of Science.

HER2 oncoprotein overexpression

HER2/neu oncogeneamplification

Shortened Median Survival

HER2/neu overexpressing

3 years

HER2/neu normal 6-7 years

Role of HER2/Role of HER2/neuneu in Breast Cancer in Breast Cancer

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Basi razionali per il blocco di segnali mitogenici in combinazione con trattamenti standard

In risposta a farmaci citotossici o radiazioni ionizzanti le cellule

tumorali cercano di sfuggire all’apoptosi attivando segnali mitogenici

regolati da fattori di crescita e proteine anti-apoptotiche.

Il blocco dei segnali mitogenici e antiapoptotici mediante inibitori

selettivi aumenterebbe l’attività di trattamenti convenzionali, forzando

le cellule tumorali a entrare in apoptosi.

Molte cellule tumorali sono particolarmente sensibili all’inibizione di

EGFR rispetto a quelle normali. Pertanto il blocco di EGFR potrebbe

inibirne la proliferazione (J. Mendelsohn, 1982).

Ciardiello & Tortora, 2002

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THERAPEUTIC STRATEGYTHERAPEUTIC STRATEGY

ChemotherapyRadiotherapy

TUMOR INHIBITION(apoptosis + tumor dormancy)

RTK inhibitors Survival signals

(RTK)

CELL DAMAGECell Death(apoptosis)

CELL PROLIFERATION

Tortora & Ciardiello, 2004

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Signal transduction

Signal transduction

MAbs

TKIs

Ligand

KK KK

Ligand

Anti-EGFR Approaches

Modified after Tabernero, 2003

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Omnitarg and Trastuzumab PossessDistinct Epitope Specificity for HER2

HER2

Ligand-binding domain(inactive)

Cell membrane

Tyrosine kinase domain

Omnitarg

Trastuzumab

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Small-Molecule Antibody

Target TK domain external domain

Specificity +++ ++++

Binding reversible receptor internalization

Activity

Dosing oral, daily IV, weekly

Toxicity rash, diarrhea rash

Drug-drug interactions

--

Differences between MAbs and small molecules TKI

Courtesy of C. Sessa

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Small molecules inhibitors of EGFR-TKSmall molecules inhibitors of EGFR-TK

Agent EGFR IC50 (nM)

EGFR-specific Inhibition Development stage

Gefitinib 23 yes reversible phase III

Erlotinib 20 yes reversible phase III

CI-1033 2 no irreversible phase I

PKI-166 0.7 yes reversible phase I

GW-2016 9.2 no reversible phase I

EKB-569 38.5 yes irreversible phase I

PDI-168393 0.7 no irreversible preclinical

AG-1478 <3 no irreversible preclinical

CGP-59326A 27 yes reversible preclinical

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Antibody Target

Degree of humanization Indication Status

Trastuzumab HER2 Fully humanized Metastatic breast cancer

Licensed in 1998 USA, Switzerland, parts of Latin America

Cetuximab EGFR Chimeric SCHN, NSCLC, breast, colorectal, pancreatic, esophageal, renal-cell

and ovarian cancer

Phase II/III clinical trials

ABX-EGF EGFR Fully humanized Advanced EGFR+ cancer

Phase I clinical trials

EMD 55900 EGFR Murine MAb Malignant glioma Phase II trials

EMD 72000 EGFR Fully humanized Advanced EGFR+ cancer

Phase I/II clinical trials

TheraCIM EGFR Fully humanized Breast, SCHN, lung and brain cancer

Approval granted for phase I/II trials

ANTI-EGFR MABs IN CANCER THERAPY

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Ciardiello F. et al. Clin Cancer Res 2000; 6: 3739-3747

Growth factors and angiogenesis in GEO colon Growth factors and angiogenesis in GEO colon cancer xenografts treated with Cetuximabcancer xenografts treated with Cetuximab

Tumor size (cm3)

Ki67 (%)

b-FGF (%)

VEGF (%)

TGFα (%)

MVD*(FVIII-RA)

Control 1.98 60 55 60 75 21 ± 3

Cetuximab 0.4 20 30 30 25 8 ± 2

MVD = Microvessel density

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Combination of Cetuximab with cytotoxic therapiesCombination of Cetuximab with cytotoxic therapies

Increased apoptosis and enhanced antitumor activity demonstrated in preclinical models with Cetuximab in combination with:

• 5-FU• Irinotecan, topotecan• Cisplatin, carboplatin, oxaliplatin• Paclitaxel, docetaxel• Gemcitabine• Vinorelbine• Doxorubicin• Radiotherapy

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Days

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Tum

or

Vol

ume

(cm

3 )

0

1

2

3

Effects of RT in combination with C225in human GEO cancer xenografts

Control

RT

C225

Combination

treatment

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Fan et al. Cancer Res 1993; 53: 4637-4642

Antitumor activity of Cetuximab in combination with Antitumor activity of Cetuximab in combination with cisplatin in squamous tumorscisplatin in squamous tumors

0 20 40 60 80 180

100

50

0

6

4

2

0

Tum

or s

ize

(cm

3)

C225

Cisplatin

0 5 15 25 35Days Days

Sur

viva

l (%

)

Control

C225

Cisplatin

C225 + cisplatin

C225 + cisplatin

Control

Cisplatin

C225

Combined effects of C225 + cisplatin in A431 xenografts

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• Vie di fuga e acquisizione di resistenza a inibitori di EGFR

• Mutazioni nel dominio TK di EGFR

Problemi emergenti

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PKAI

PI3KPLCp

y

tyrosinekinase

GRB2 SOS p21ras

Raf

MEK

MAPK

y py p

EGF TGF

y

EGFRerbB2erbB3erbB4

p

Cyclin D1

CDK

RbCell Proliferation

E2F

p14ARF

mdm2

p53

PKC

CANCER CELLS HAVE HYPERACTIVE SIGNALLING

PATHWAYS

AKTPTEN

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PKAI

ras raf

MEK

PI-3KPLC py

tyrosinekinase

GRB2 SOSy py p

EGF TGF

y

EGFRerbB2erbB3erbB4

p

Cyclin D1

Cell Proliferation

AKTPTEN

Main escape pathways

MAPK

Bcl-2

Angiogenesis

Invasionmetastasis

Survival, anti-apoptosis

VEGF

Tortora & Ciardiello,2003

COX-2

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Mutated EGFR isoforms Mutated EGFR isoforms in NSCLC patientsin NSCLC patients

Lynch et al., NEJM 350: 2004

Exons 18-21

EGFR L858R•Frequent in Japanese NSCLC

•More frequent in women

•More frequent in adenocarcinomas

•Non-smokers or former smokers

•Gefitinib-sensitive

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EGFR gene sequence analysis in mCRC patients treated with Cetuximab after failing standard treatments

PR 18 All wt

SD 8 6 wt / 2 mut

PD 9 9 wt

Mutants are of a novel type: heterozygous P753L in exon 19 and heterozygous V689 in exon 18

Lenz et al., ASCO 2004

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Role of EGFR in the response to EGFR inhibitorsRole of EGFR in the response to EGFR inhibitors

EGFR Expression

Skin rash

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Tarceva phase II trial in NSCLC:survival by grade of rash

Su

rviv

al d

istr

ibu

tio

n f

un

ctio

n

Months

Grade 2/3 (n=17)

Grade 1 (n=26)

No rash (n=14)

Median survival (95% CI)

No rash 1.5 (1–2.2)

Grade 1 8.5 (4.8–14.8) p<0.0001*

Grade 2/3 19.6 (10.8–22.1+) p<0.0001*

0 5 10 15 20 25 30

1.00

0.75

0.50

0.25

0.00

*vs no rash

Pérez-Soler R, et al. Lung Cancer 2003;41(Suppl. 2):S246 (Abs. P-611)

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Clinical trials with anti-EGFR agents showing a relationship between rash and survival

CETUXIMAB (Cunningham et al., NEJM 2004; Saltz et al., ASCO 2003)

Phase II: + CPT-11 in CRC Phase II: CRC Phase II: + Cisplatin in H&N cancer Phase II: + Gemcitabine in pancreatic cancer Phase III: single agent vs. CPT-11 in CRC

ERLOTINIB (Clark et al., ASCO 2003)

Phase II: NSCLC Phase II: H&N Phase II: ovarian

GEFITINIB (Cohen et al., JCO 2003)

Phase II: H&N

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1. EGFR expression and its efficient inhibition

2. Pharmacodynamic markers (surrogates of response)

3. Signalling downstream to EGFR

PARAMETERS THAT MAY AFFECT/PREDICT CLINICAL RESPONSE TO EGFR-INHIBITORS

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Activation of EGFR by EGF or TGFα can up-regulate the production of VEGF in cancer cells

EGFR inhibition reduces VEGF production

Resistance to EGFR inhibitors is associated with VEGF overexpression

Rational basis for combination of EGFR Rational basis for combination of EGFR and VEGF inhibitorsand VEGF inhibitors

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THERAPEUTIC STRATEGIESTHERAPEUTIC STRATEGIES

ChemotherapyRadiotherapy

RTK inhibitors

Genomic signals Survival signals

GENE DAMAGE

Selective Inhibitors

Cell Death(apoptosis)

Tortora & Ciardiello, 2004

TUMOR INHIBITION(apoptosis + tumor dormancy)Cell Proliferation