Anti-tumor activity and mechanism of selective CDK4/6 inhibitor in human colorectal cancer cell lines

Abstract

Purpose: Colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer and the second highest cause of cancer related mortality worldwide. Selective cyclin dependent kinase (CDK) 4/6 inhibitors have been evaluated as promising therapeutic strategy in many cancers. However, targeting cell cycle regulation in colorectal cancer has not been fully evaluated. The aim of our study was to investigate the anti-tumor activity of the selective CDK4/6 inhibitors and to explore the mechanism of action of selective CDK4/6 inhibitors in human CRC cell lines. Materials and Methods: We investigated the anti-proliferative efficacy of selective CDK4/6 inhibitors, palbociclib, abemaciclib, and ribociclib. With the most potent selective CDK4/6 inhibitor, we explored the mechanism of anti-proliferative activity and optimal combination agents with a synergistic interaction in colorectal cancer cell lines. To identify the possible predictive biomarkers for selective CDK4/6 inhibitors, multiple in vitro models of colorectal cancer cell lines were used. Tumor xenograft model of human colorectal cancer cell lines were established using athymic nude mice for in vivo validation. Results: Growth inhibition assay with multiple colorectal cancer cell lines revealed that abemaciclib was the most potent among the three selective CDK4/6 inhibitors tested. Abemaciclib monotherapy inhibited cell cycle progression and proliferation especially in Caco-2 and SNU-C4 cells. CDK2-cyclin E complex mediated Rb phosphorylation and AKT phosphorylation appeared to be potential resistance mechanisms to abemaciclib monotherapy. Abemaciclib/BYL719 (selective PI3K p110α inhibitor) combination therapy demonstrated synergistic effects regardless of PIK3CA mutation status but showed greater efficacy in the PIK3CA mutated SNU-C4 cell line. Growth inhibition, cell cycle arrest, and migration inhibition were confirmed as mechanisms of action for this combination. In a mouse xenograft model with SNU-C4 cell line harboring PIK3CA mutation, abemaciclib/BYL719 combination resulted in tumor growth inhibition and apoptosis with tolerable toxicity. Conclusion: Abemaciclib showed anti-tumor activity in human colorectal cancer cell lines and dual blockade of PI3K p110α and CDK4/6 showed synergistic anti-tumor effects in vivo and in vitro. PIK3CA mutation could be an additional predictive marker for the efficacy of abemaciclib in combination with BYL719. These findings provide novel insight into a possible therapeutic strategy for patients with metastatic CRC.

목적: 대장암은 전 세계적으로 세 번째로 흔한 악성종양이며, 대장암으로 인한 사망률은 암사망률 중 두 번째로 높은 것으로 알려져 있다. 이미 다양한 악성 종양에서 암세포의 세포주기를 조절하는 선택적 CDK4/6 억제제가 새로운 치료적 대안으로 떠오르고 있음에도 불구하고, 아직까지 대장암의 치료에 있어 세포주기를 조절하는 약제에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구는 대장암 세포주에서 선택적 CDK4/6 억제제의 항종양효과를 확인하고, 약물의 작용기전을 탐구하기 위해 설계 되었다. 재료 및 방법: 대장암 세포주에 대하여 세 가지 선택적 CDK4/6 억제제들 (palbociclib, abemaciclib, ribociclib)의 항종양효과를 확인하였다. 그 중 가장 효과적인 선택적 CDK4/6 억제제를 가지고 대장암 세포주에 대한 약물의 작용 기전을 탐구하고 최적의 병합요법제제를 찾아내기 위한 실험을 진행하였다. 최종적으로 무흉선 누드 마우스를 사용한 종양이종이식모델을 통해 체내에서의 병합 요법의 효과를 확인하였다. 결과: 다양한 대장암 세포주에 대한 종양 성장 억제 실험을 통해 선택적 CDK4/6 억제제인 palbociclib, abemaciclib, ribociclib 중 abemaciclib이 다른 선택적 CDK4/6억제제에 비해 가장 강력한 항종양효과를 가지는 것으로 확인되었다. KRAS 의 돌연변이가 없는 대장암 세포주들이 KRAS돌연변이를 가진 세포주에 비해abemaciclib 에 감수성을 보이는 경향도 확인하였다. 실험에 사용된 대장암 세포주 중Abemaciclib에 가장 감수성이 높은 Caco-2 와 SNU-C4 대장암 세포주에서 확인한 결과 abemaciclib은 단독 사용 시 세포 주기의 진행 및 세포의 증식을 억제하였다. 또한, abemaciclib 단독 치료에 대한 치료 저항성 발생과정에 CDK2-cyclin E 복합체에 의한 Rb 인산화와 AKT 인산화가 관여하고 있음을 확인하였다. Abemaciclib과 BYL719 (선택적 PI3K p110α 억제제)의 병합요법은 abemaciclib 단독 치료의 저항 발생 기전을 극복할 수 있는 가능한 병합요법임을 체외 및 체내 실험 모델을 통해 확인하였다. Abemaciclib과 BYL719의 병합효과는 PIK3CA 돌연변이가 있는 대장암 세포주에서 더 두드러지게 나타났다. 이 병합요법은 세포성장 억제, 세포주기정지, 세포이동억제 등의 기전을 통해 항종양효과를 나타내는 것으로 체외 실험을 통해 밝혀졌다. PIK3CA 돌연변이가 있는SNU-C4 대장암 세포주를 가지고 만든 종양이종이식 모델에서는 abemaciclib과 BYL719의 병합요법이 적절한 독성 범위 내에서 종양의 성장 억제뿐만 아니라 암세포의 세포자멸사를 유도하는 것을 관찰할 수 있었다. 결론: Abemaciclib 단독 요법은 인간 대장암 세포주에서 항 종양효과를 가지는 것으로 확인되었다. 또한, 선택적 PI3K p110α 와CDK4/6의 이중 억제는 인간 대장암 세포주에서 항종양 효과를 상승시키는 것으로 나타났다. PIK3CA 돌연변이는 이 병합요법에 대한 반응을 예측할 수 있는 추가적인 생물학적 표지자로서의 가능성을 보여 주었다. 선택적 PI3K p110α 와CDK4/6의 이중 억제는 진행성 대장암을 가진 환자들에게 필요한 새로운 치료적 대안을 제시할 수 있을 것으로 보인다.