HER2 is a validated target in breast cancer therapy. Two drugs are currently approved for HER2-positive breast cancer: trastuzumab (Herceptin), introduced in 1998, and lapatinib (Tykerb), in 2007. Despite these advances, some patients progress through therapy and succumb to their disease. A variation on antibody-targeted therapy is utilization of antibodies to deliver cytotoxic agents specifically to antigen-expressing tumors. We determined in vitro and in vivo efficacy, pharmacokinetics, and toxicity of trastuzumab-maytansinoid (microtubule-depolymerizing agents) conjugates using disulfide and thioether linkers. Antiproliferative effects of trastuzumab-maytansinoid conjugates were evaluated on cultured normal and tumor cells. In vivo activity was determined in mouse breast cancer models, and toxicity was assessed in rats as measured by body weight loss. Surprisingly, trastuzumab linked to DM1 through a nonreducible thioether linkage (SMCC), displayed superior activity compared with unconjugated trastuzumab or trastuzumab linked to other maytansinoids through disulfide linkers. Serum concentrations of trastuzumab-MCC-DM1 remained elevated compared with other conjugates, and toxicity in rats was negligible compared with free DM1 or trastuzumab linked to DM1 through a reducible linker. Potent activity was observed on all HER2-overexpressing tumor cells, whereas nontransformed cells and tumor cell lines with normal HER2 expression were unaffected. In addition, trastuzumab-DM1 was active on HER2-overexpressing, trastuzumab-refractory tumors. In summary, trastuzumab-DM1 shows greater activity compared with nonconjugated trastuzumab while maintaining selectivity for HER2-overexpressing tumor cells. Because trastuzumab linked to DM1 through a nonreducible linker offers improved efficacy and pharmacokinetics and reduced toxicity over the reducible disulfide linkers evaluated, trastuzumab-MCC-DM1 was selected for clinical development.

The proto-oncogene designated erb B2 or HER2 encodes a 185-kilodalton transmembrane tyrosine kinase (p185 erb B2 ), whose overexpression has been correlated with a poor prognosis in several human malignancies. A 45-kilodalton protein heregulin-α (HRG-α) that specifically induced phosphorylation of p185 erb B2 was purified from the conditioned medium of a human breast tumor cell line. Several complementary DNA clones encoding related HRGs were identified, all of which are similar to proteins in the epidermal growth factor family. Scatchard analysis of the binding of recombinant HRG to a breast tumor cell line expressing p185 erb B2 showed a single high affinity binding site [dissociation constant ( K d ) = 105 ± 15 picomolar]. Heregulin transcripts were identified in several normal tissues and cancer cell lines. The HRGs may represent the natural ligands for p185 erb B2 .

Summary

 Herceptin (trastuzumab) is the backbone of HER2-directed breast cancer therapy and benefits patients in both the adjuvant and metastatic settings. Here, we describe a mechanism of action for trastuzumab whereby antibody treatment disrupts ligand-independent HER2/HER3 interactions in HER2-amplified cells. The kinetics of dissociation parallels HER3 dephosphorylation and uncoupling from PI3K activity, leading to downregulation of proximal and distal AKT signaling, and correlates with the antiproliferative effects of trastuzumab. A selective and potent PI3K inhibitor, GDC-0941, is highly efficacious both in combination with trastuzumab and in the treatment of trastuzumab-resistant cells and tumors.

Previous studies have demonstrated a synergistic interaction between rhuMAb HER2 and the cytotoxic drug cisplatin in human breast and ovarian cancer cells. To define the nature of the interaction between rhuMAb HER2 and other classes of cytotoxic drugs, we applied multiple drug effect/combination index (CI) isobologram analysis to a variety of chemotherapeutic drug/rhuMAb HER2 combinations in vitro. Synergistic interactions at clinically relevant drug concentrations were observed for rhuMAb HER2 in combination with cisplatin (CI=0.48, P=0.003), thiotepa (CI=0.67, P=0.0008), and etoposide (CI=0.54, P=0.0003). Additive cytotoxic effects were observed with rhuMAb HER2 plus doxorubicin (CI=1.16, P=0.13), paclitaxel (CI=0.91, P=0.21), methotrexate (CI=1.15, P=0.28), and vinblastine (CI=1.09, P=0.26). One drug, 5-fluorouracil, was found to be antagonistic with rhuMAb HER2 in vitro (CI=2.87, P=0.0001). In vivo drug/rhuMAb HER2 studies were conducted with HER-2/neu-transfected, MCF7 human breast cancer xenografts in athymic mice. Combinations of rhuMAb HER2 plus cyclophosphamide, doxorubicin, paclitaxel, methotrexate, etoposide, and vinblastine in vivo resulted in a significant reduction in xenograft volume compared to chemotherapy alone (P<0.05). Xenografts treated with rhuMAb HER2 plus 5-fluorouracil were not significantly different from 5-fluorouracil alone controls consistent with the subadditive effects observed with this combination in vitro. The synergistic interaction of rhuMAb HER2 with alkylating agents, platinum analogs and topoisomerase II inhibitors, as well as the additive interaction with taxanes, anthracyclines and some antimetabolites in HER-2/neu-overexpressing breast cancer cells demonstrates that these are rational combinations to test in human clinical trials.

The HER2/c-erbB-2 gene encodes the epidermal growth factor receptorlike human homolog of the rat neu oncogene. Amplification of this gene in primary breast carcinomas has been show to correlate with poor clinical prognosis for certain cancer patients. We show here that a monoclonal antibody directed against the extracellular domain of p185HER2 specifically inhibits the growth of breast tumor-derived cell lines overexpressing the HER2/c-erbB-2 gene product and prevents HER2/c-erbB-2-transformed NIH 3T3 cells from forming colonies in soft agar. Furthermore, resistance to the cytotoxic effect of tumor necrosis factor alpha, which has been shown to be a consequence of HER2/c-erbB-2 overexpression, is significantly reduced in the presence of this antibody.

The vascular endothelium was once thought to function primarily in nutrient and oxygen delivery, but recent evidence suggests that it may play a broader role in tissue homeostasis. To explore the role of sinusoidal endothelial cells (LSECs) in the adult liver, we studied the effects of vascular endothelial growth factor (VEGF) receptor activation on mouse hepatocyte growth. Delivery of VEGF-A increased liver mass in mice but did not stimulate growth of hepatocytes in vitro, unless LSECs were also present in the culture. Hepatocyte growth factor (HGF) was identified as one of the LSEC-derived paracrine mediators promoting hepatocyte growth. Selective activation of VEGF receptor-1 (VEGFR-1) stimulated hepatocyte but not endothelial proliferation in vivo and reduced liver damage in mice exposed to a hepatotoxin. Thus, VEGFR-1 agonists may have therapeutic potential for preservation of organ function in certain liver disorders.

We report on the production of tumor necrosis factor (TNF)-alpha and TNF-beta by mitogen-activated peripheral blood lymphocytes or enriched monocyte subpopulations from human leukocyte antigen (HLA)-typed healthy subjects. The results indicate that HLA-DR2- and DQw1-positive donors frequently exhibit low production of TNF-alpha, whereas DR3- and DR4-positive subjects show high levels of TNF-alpha production. No correlation between TNF-alpha levels and HLA-A, -B, and -C genotype was found. The relevance of this quantitative polymorphism to the genetic predisposition to lupus nephritis in systemic lupus erythematosus (SLE) patients was investigated. DR2, DQw1-positive SLE patients show low levels of TNF-alpha inducibility; this genotype is also associated with an increased incidence of lupus nephritis. DR3-positive SLE patients, on the other hand, are not predisposed to nephritis, and these patients have high TNF-alpha production. DR4 haplotype is associated with high TNF-alpha inducibility and is negatively correlated with lupus nephritis. These data may help explain the strong association between HLA-DR2, DQw1 in SLE patients and their susceptibility to nephritis.

The HER2/c-erbB-2 gene encodes the epidermal growth factor receptorlike human homolog of the rat neu oncogene. Amplification of this gene in primary breast carcinomas has been show to correlate with poor clinical prognosis for certain cancer patients. We show here that a monoclonal antibody directed against the extracellular domain of p185HER2 specifically inhibits the growth of breast tumor-derived cell lines overexpressing the HER2/c-erbB-2 gene product and prevents HER2/c-erbB-2-transformed NIH 3T3 cells from forming colonies in soft agar. Furthermore, resistance to the cytotoxic effect of tumor necrosis factor alpha, which has been shown to be a consequence of HER2/c-erbB-2 overexpression, is significantly reduced in the presence of this antibody.