Emergence de la résistance génétique contre la thérapie d'inhibiteur de kinase pose défi important pour la thérapie efficace contre le cancer. Identification et caractérisation des mutations de résistance contre un médicament nouvellement développé contribue à une meilleure gestion clinique et la conception de médicaments de la prochaine génération. Ici, nous décrivons notre protocole pour le dépistage in vitro et la validation de mutations résistantes.
La découverte de BCR / ABL comme un oncogène du pilote dans la leucémie myéloïde chronique (LMC) ont abouti à l'élaboration d'Imatinib, ce qui, en fait, a démontré le potentiel de cibler la kinase dans les cancers en traitant efficacement les patients atteints de LMC. Cette observation a révolutionné le développement de médicaments afin de cibler les kinases oncogènes impliqués dans diverses autres tumeurs malignes, telles que, EGFR, B-RAF, KIT et PDGFR. Cependant, un inconvénient majeur des thérapies anti-kinase est l'émergence de mutations de résistance aux médicaments rendant la cible pour avoir réduit ou perdu affinité pour le médicament. Comprendre les mécanismes employés par variants résistants non seulement aide à développer les inhibiteurs de la prochaine génération, mais donne aussi une impulsion à la gestion clinique utilisant la médecine personnalisée. Nous avons signalé une stratégie rétroviral de vecteur à base de dépistage pour identifier le spectre de résistance conférant mutations dans BCR / ABL, qui a aidé à développer la prochaine génération BCR / ABL inhibiteurs. Utilisation Ruxolitinib et JAK2 comme une paire de cibles pharmaceutiques, ici nous décrivent des méthodes de dépistage in vitro qui utilise les cellules BaF3 de la souris exprimant la bibliothèque de mutation aléatoire de kinase JAK2.
Les protéines kinases sont des enzymes intracellulaires réglementaires clés de voies de transduction du signal qui modulent apparemment tous la fonction cellulaire. Un contrôle approprié de médiation par la kinase de signalisation est essentielle à l'homéostasie et le développement, qui repose essentiellement sur une bonne régulation des kinases, des phosphatases et sa dégradation par UPS (système de protéasome ubiquitine). Kinases régulées sont au centre de la scène de nombreux cancers et l'hôte impliqués dans des maladies humaines 1. Génome humain code pour plus de 500 protéines kinases qui ont été liés, directement ou indirectement, à ~ 400 maladies humaines 2. Ces observations ont appuyé le concept de ciblage thérapeutique de kinases par les inhibiteurs à petites molécules 5.3.
La démonstration d'inhibiteurs de la kinase ABL, tels que l'imatinib dans le traitement de la leucémie myéloïde chronique (LMC) à condition que la preuve de concept de cette approche 6,7. Cette observation a non seulement révolutionné la fourmii-kinase thérapie mais aussi forcées l'idée d'identifier les lésions génétiques dans d'autres maladies néoplasiques pour ciblage thérapeutique, qui conduisent à la découverte de mutations oncogéniques dans le JAK2 de polyglobulie de Vaquez (PV) et les patients avec des syndromes myéloprolifératifs (NPP). Cette découverte a suscité un grand intérêt dans le traitement MPN en ciblant JAK2 avec de petites molécules inhibiteurs de kinases. Maintenant, près d'une douzaine d'inhibiteurs de JAK2 sont dans les essais cliniques et l'un d'eux a été récemment approuvé pour le traitement de la myélofibrose. Bien que le ciblage spécifique de kinases oncogènes par des inhibiteurs à petites molécules dans les cancers apporter résultat prometteur, il souffre également de développer une résistance au traitement. En fait, jusqu'à présent, les patients traités avec des inhibiteurs de kinase, tels que l'imatinib, gefitinib, erlotinib et le dasatinib développées mutations de résistance principalement en acquérant des mutations dans le domaine kinase de médicament qui cible 10/8. Résistance à la suite de la mutation génique met en évidence les limitations of monothérapie contre les kinases oncogènes ciblé, et représente le prochain défi dans le développement de la chimiothérapie du cancer de plus en plus de succès. Conséquences mécanistiques et fonctionnelles de la résistance aux médicaments devraient fournir une justification pour la sélection et la conception de composés gratuits pour le développement de médicaments. Mutations identifiées via des écrans in vitro, ont montré un haut degré de corrélation avec celles trouvées chez les patients. Par conséquent, dépistage in vitro de mutations qui confèrent la résistance aux médicaments pendant donnés paires de cibles de médicaments dans passes de développement clinique ou préclinique à identifier les profils de résistance qui sont susceptibles de provoquer une rechute clinique. L'identification de ces formes mutantes ne est pas seulement utile dans la surveillance des patients pour la réponse aux médicaments et à la rechute mais également essentiel pour la conception d'inhibiteurs plus robustes de la prochaine génération. Par exemple, le développement de la prochaine génération des inhibiteurs BCR / ABL, nilotinib et Ponatinib, ont été rendus possibles en raison d'une plus grande meccompréhensions hanistic gagné de mutagenèse, de structure, et des études fonctionnelles.
Plus tôt, nous avons présenté les résultats de notre écran à l'aide mutagenèse aléatoire de la BCR / ABL pour révéler le spectre des mutations conférant une résistance aux inhibiteurs comme l'imatinib 11,12, 12 PD 166326 et AP24163 13. Les résultats non seulement identifié les mutations conférant une résistance et la maladie rechute clinique, mais aussi à condition que la compréhension des mécanismes de résistance et de principes régissant la fonction kinase 11,14 drogue. Ici, nous donnons des détails méthodologiques supplémentaires, en utilisant ruxolitinib et JAK2 comme une paire de cibles pharmaceutiques, afin de permettre une application plus large de cette stratégie de dépistage.
NOTE: Toutes les procédures dans ce protocole ont été menées selon l'Institut national de lignes directrices de la santé pour le traitement et le soin éthiques des animaux, et selon un IACUC protocole d'utilisation d'animaux approuvé.
Ligne 1. maintenance des cellules
2. Construction du plasmide
3. Préparation de Random Mutation Bibliothèque, le dépistage et l'identification des mutations
3.1) mutagenèse aléatoire
3.2) Production de surnageants rétroviraux et la transduction
3.3) Sélection des clones résistants in vitro
4. Validation in vitro de mutations résistantes
De nombreux clones de cellules portent plus d'une mutation, Pour tester la contribution de chaque mutation dans phénotype de résistance, de générer des variantes sélectionnées par mutagenèse dirigée en utilisant pMSCV-JAK2V-617F plasmide comme matrice.
5. Validation in vivo
Le succès clinique de l'imatinib dans le traitement de la LMC a démontré non seulement le potentiel de cibler les kinases de rouge par les inhibiteurs de petites molécules, mais également les limites à découvert de thérapie ciblée: rechute clinique et l'émergence de mutations de résistance aux médicaments dans le gène cible. Identification de mutations de résistance contribue à une meilleure prise en charge clinique et le développement d'inhibiteurs de la prochaine génération. Ce protocole décrit une méthodologie pour identifier les mutations résistantes aux médicaments dans le gène ciblé. Cette méthode utilise une banque de plasmides ayant subi une mutagenèse aléatoire construit en E. coli, pour exprimer les protéines mutantes. La bibliothèque est ensuite introduit dans les cellules BAF3 (sensibles à la transformation par un oncogène), suivie par la sélection de clones de cellules en présence d'agents chimiothérapeutiques. Le séquençage du gène ciblé à partir de clones résistants identifie mutations conférant une résistance. Enfin, mutations identifiées sont recréés par mutagenèse dirigée de les valider pourla résistance aux médicaments.
En utilisant cette stratégie, nous avons défini le spectre de mutations dans JAK2 et BCR / ABL conférant une résistance à l'imatinib et ruxolitinib, respectivement. Nous avons identifié plus de cent mutations dans BCR / ABL. En outre, identifier toutes les mutations majeures détectées chez les patients, notre méthode de dépistage a permis d'identifier de nouvelles substitutions de résidus à l'intérieur et au-delà du domaine de la kinase. Fait intéressant, toutes les mutations de notre écran ont été identifiés dans des échantillons de patients, mais ce processus a pris près de plus de 10 ans 15, démontrant ainsi la capacité de l'écran à anticiper les mutations qui poseront la résistance aux médicaments cliniquement problématique. Bien que le dépistage résistant par mutagenèse aléatoire offre de nombreux avantages par rapport à d'autres méthodes, il ya des pièges potentiels à connaître lors de la suite d'une procédure de dépistage. Pour tout dépistage, il est fortement recommandé pour les cellules BAF3 être totalement dépendants de la cible contre laquelle Resiposition est demandée. Un échec ou de dépendance partielle sur le gène cible peuvent ne pas développer de véritables clones résistants et les plus susceptibles de développer des faux positifs. Par exemple, quatre études différentes ont effectué le dépistage résistant aux inhibiteurs de JAK2 utilisant BAF3 cellules transduites avec soit OEB ou récepteurs MPL pour faciliter JAK2 V617F-dépendance 16-19. Seuls huit mutations résistantes limitées à domaine kinase ont été identifiés à partir de ces écrans, bien que de nombreux clones résistants développés qui manquait mutations, probablement en raison de l'émergence de faux positifs, ce qui a été attribuée à hétérodimérisation de JAK1 et JAK3 avec les récepteurs de cytokines. Par conséquent, pour éviter la perte de la dépendance de JAK2 nous avons effectué le dépistage résistant à la BAF3 plaine qui a montré sélection robuste de clones résistants contre ruxolitinib et tous ces clones a montré la présence de mutations résistantes. Sur la base de ces observations, afin d'exploiter le spectre complet des mutations de résistance, nous recommandons que la cellule BaF3s devrait être entièrement dépendante de la kinase ciblé pour éviter l'apparition de faux positifs, comme cela a été une norme de projections résistants précédentes effectuées sur des inhibiteurs de JAK2 16,17. En outre, il est essentiel d'éviter des conditions de culture en vrac dans lequel des cellules hébergeant des mutations différentes sont regroupées et on les laisse se développer en culture liquide, car cela peut conduire à dominance clonale de quelques variantes très résistantes aux médicaments. Par exemple, lors de la sélection initiale de l'imatinib résistance de mutagénéisée BCR-ABL dans la culture liquide en vrac, nous avons trouvé seulement quatre formes mutantes qui étaient représentés plusieurs fois dans le premier 100 isolats nous avons séquencé. Par conséquent, le dépistage à l'aide de l'agar mou permet clones à croissance lente avec des degrés plus modestes de la résistance aux médicaments à recouvrer qui ne seraient pas identifiées en utilisant la culture en vrac. Pour cette raison, il est recommandé d'augmenter la culture en vrac avant la sélection de seulement 14 à 16 heures, suivie par la sélection des médicaments sans IL3 dans la gélose molle. Dans notre exexpérience, la croissance des cultures au-delà de 36 heures après transduction virale ont tendance à être dominée par les clones hautement prolifératives, ce qui pose un risque de perdre clones croissance lente (faiblement transformation). De même, en utilisant des cellules d'un des points de temps antérieurs, tels que 6-8 heures après transduction virale sont enclins à sélectionner des clones hautement transformation ou surexprimant, provoquant ainsi un biais ou trompeuses sur l'identité et la fréquence des clones de résistance. Par conséquent, nous recommandons d'utiliser des cellules cultivées pour 14-16 heures après transduction virale pour le dépistage, qui permet la sélection serrée des clones individuels et empêche la dominance clonale généralement observé dans les cultures de liquides en vrac.
Il est essentiel de confirmer la capacité d'un candidat de mutation pour conférer une résistance à l'isolement, étant donné que certains clones ont été identifiés à avoir plusieurs mutations. Pour l'écran JAK2 V617F-, nous avons recréé la majorité des mutations identifiées dans notre bibliothèque de mutagenèse aléatoire en utilisant le site dirigé mutagenesis. Après avoir présenté les mutants isolés dans des cellules fraîches, ils ont ensuite été cultivées en présence de divers médicaments pour déterminer les CI50 pour chaque mutant. Nous avons également testé deux différentes variantes résistantes à la résistance in vivo par la surveillance de la bioluminescence de confirmer en outre la capacité de ces mutations uniques pour provoquer la résistance aux médicaments in vivo.
Étant donné le succès de la thérapie anti-kinase dans le traitement de cancers qui ont galvanisé un regain d'inhibiteurs de kinases dans les cliniques, il est crucial d'identifier la résistance cliniquement problématique conférant mutations pour une meilleure gestion des patients et le développement de médicaments qui peuvent les cibler. Cette stratégie de dépistage a été utilisé avec succès pour identifier des mutations dans le BCR / ABL, JAK2 et FLT3 20; Cependant, nous pensons que ce sera généralement applicable à un large éventail d'agents anti-néoplasiques.
The authors have nothing to disclose.
Cell and Tissue culture | |||
BaF3 Cells | ATCC | ||
HEK293T cells | ATCC | ||
pMSCV-JAK2-V617F-puro.GW | A gift from Ross Levine | ||
pMSCV-JAK2-V617F/Y931C.GW | Made in house | ||
pMSCV-JAK2-V617F/L983F.GW | Made in house | ||
pMSCV-JAK2-V617F/P58A.GW | Made in house | ||
pMSCV-V617F-Cherry.GW | Made in house | ||
pMSCV-JAK2-V617F/Y931C-cherry.GW | Made in house | ||
pMSCV-JAK2-V617F/L983F-cherry.GW | Made in house | ||
pMSCV-Luciferase-puro.GW | Made in house | ||
RPMI | Cellgro (corning) | 15-040-CV | |
DMEM | Cellgro (corning) | 15-013-CV | |
Penn/Strep | Cellgro (corning) | 30-002-CI | |
FBS | Atlanta biological | S11150 | |
Trypsin EDTA 1X | Cellgro (corning) | 25-052-CI | |
1x PBS | Cellgro (corning) | 21-040-CV | |
L-Glutamine | Cellgro (corning) | 25-005-CL | |
Puromycin | Gibco (life technologies) | A11138-03 | |
Protamine sulfate | Sigma | P3369 | 5 mg/ml stock in water |
Trypan Blue solution (0.4%) | Sigma | T8154 | |
DMSO | Cellgro (corning) | 25-950-CQC | |
INCB018424 (Ruxolitinib) | ChemieTeK | 941678-49-5 | |
WST-1 | Roche | 11644807001 | |
0.45 micron disc filter | PALL | 2016-10 | |
70 micron nylon cell strainer | Becton Dickinson | 352350 | |
Bacterial Culture | |||
XL-1 red <em>E. coli</em> cells | Agilent Tech | 200129 | |
SOC | New England Biolabs | B90920s | |
Ampicillin | Sigma | A0166 | 100 mg/ml stock solution |
Bacto agar | Difco | 214050 | |
Terrific broth | Becton Dickinson | 243820 | |
Agarose | Genemate | E-3119-500 | |
Kits | |||
Dneasy Blood& tissue kit | Qiagen | 69506 | |
Expand long template PCR system | Roche | 1168134001 | |
Wizard Sv gel and PCR clean up system | Promega | A9282 | |
Pure Yield plasmid mini prep system | Promega | A1222 | |
PCR Cloning System with Gateway Technology with pDONR 221 & OmniMAX 2 Competent Cells | Invitrogen | 12535029 | |
Gateway LR Clonase Enzyme mix | Invitrogen | 11791019 | |
Mouse reagents | |||
Vivo-Glo Luciferin in-vivo Grade | Promega | P1043 | |
1/2 cc Lo-Dose u-100 insulin syringe 28 G1/2 | Becton Dickinson | 329461 | |
Mortor pestle | Coor tek | 60316 and 60317 | |
Isoflorane (Isothesia TM) | Butler Schien | 29405 | |
Instruments | |||
NAPCO series 8000 WJ CO2 incubator | Thermo scientific | ||
Swing bucket rotor centrifuge 5810R | Eppendorf | ||
TC-10 automated cell counter | Bio-RAD | This is not necessary, one can use standard hemocytomemetr for cell counting |