PLX4032, a small-molecule inhibitor being developed by Plexxikon of California and Roche Pharmaceuticals in New Jersey ( http://go.nature.com/QnVGQx ), selectively targets B-RAFV600E, a mutant form of the B-RAF protein kinase common in several human cancers. In this issue of Nature, Gideon Bollag and colleagues report promising results for PLX4032 in an early clinical trial in melanoma patients who carry this B-RAF mutation. They also describe the structure and function of PLX4032 and present translational data from a phase I trial to show that clinical efficacy requires a drug concentration that is sufficient to cause a substantial degree of inhibition of the ERK pathway downstream of B-RAF. The study demonstrates how the design of early clinical trials based on the biological mechanisms underlying tumour formation has the potential to speed up the process by which anticancer drugs can reach the clinic. PLX4032 is a selective inhibitor of the B-RAF protein that has shown promising results in an early clinical trial in melanoma patients with an activating mutation in B-RAF. Now the structure and function of this inhibitor are described. Translational data from a phase I trial show that clinical efficacy requires a substantial degree of inhibition of the ERK pathway downstream of B-RAF. The data also show that BRAF-mutant melanomas are highly dependent on B-RAF activity. B-RAF is the most frequently mutated protein kinase in human cancers1. The finding that oncogenic mutations in BRAF are common in melanoma2, followed by the demonstration that these tumours are dependent on the RAF/MEK/ERK pathway3, offered hope that inhibition of B-RAF kinase activity could benefit melanoma patients. Herein, we describe the structure-guided discovery of PLX4032 (RG7204), a potent inhibitor of oncogenic B-RAF kinase activity. Preclinical experiments demonstrated that PLX4032 selectively blocked the RAF/MEK/ERK pathway in BRAF mutant cells and caused regression of BRAF mutant xenografts4. Toxicology studies confirmed a wide safety margin consistent with the high degree of selectivity, enabling Phase 1 clinical trials using a crystalline formulation of PLX4032 (ref. 5). In a subset of melanoma patients, pathway inhibition was monitored in paired biopsy specimens collected before treatment initiation and following two weeks of treatment. This analysis revealed substantial inhibition of ERK phosphorylation, yet clinical evaluation did not show tumour regressions. At higher drug exposures afforded by a new amorphous drug formulation4,5, greater than 80% inhibition of ERK phosphorylation in the tumours of patients correlated with clinical response. Indeed, the Phase 1 clinical data revealed a remarkably high 81% response rate in metastatic melanoma patients treated at an oral dose of 960 mg twice daily5. These data demonstrate that BRAF-mutant melanomas are highly dependent on B-RAF kinase activity.

BRAF V600E is the most frequent oncogenic protein kinase mutation known. Furthermore, inhibitors targeting “active” protein kinases have demonstrated significant utility in the therapeutic repertoire against cancer. Therefore, we pursued the development of specific kinase inhibitors targeting B-Raf, and the V600E allele in particular. By using a structure-guided discovery approach, a potent and selective inhibitor of active B-Raf has been discovered. PLX4720, a 7-azaindole derivative that inhibits B-Raf V600E with an IC 50 of 13 nM, defines a class of kinase inhibitor with marked selectivity in both biochemical and cellular assays. PLX4720 preferentially inhibits the active B-Raf V600E kinase compared with a broad spectrum of other kinases, and potent cytotoxic effects are also exclusive to cells bearing the V600E allele. Consistent with the high degree of selectivity, ERK phosphorylation is potently inhibited by PLX4720 in B-Raf V600E -bearing tumor cell lines but not in cells lacking oncogenic B-Raf. In melanoma models, PLX4720 induces cell cycle arrest and apoptosis exclusively in B-Raf V600E -positive cells. In B-Raf V600E -dependent tumor xenograft models, orally dosed PLX4720 causes significant tumor growth delays, including tumor regressions, without evidence of toxicity. The work described here represents the entire discovery process, from initial identification through structural and biological studies in animal models to a promising therapeutic for testing in cancer patients bearing B-Raf V600E -driven tumors.

Tumors with mutant BRAF and some with mutant RAS are dependent upon ERK signaling for proliferation, and their growth is suppressed by MAPK/ERK kinase (MEK) inhibitors. In contrast, tumor cells with human EGF receptor (HER) kinase activation proliferate in a MEK-independent manner. These findings have led to the development of RAF and MEK inhibitors as anticancer agents. Like MEK inhibitors, the RAF inhibitor PLX4032 inhibits the proliferation of BRAF V600E tumor cells but not that of HER kinase-dependent tumors. However, tumors with RAS mutation that are sensitive to MEK inhibition are insensitive to PLX4032. MEK inhibitors inhibit ERK phosphorylation in all normal and tumor cells, whereas PLX4032 inhibits ERK signaling only in tumor cells expressing BRAF V600E . In contrast, the drug activates MEK and ERK phosphorylation in cells with wild-type BRAF. In BRAF V600E tumor cells, MEK and RAF inhibitors affect the expression of a common set of genes. PLX4032 inhibits ERK signaling output in mutant BRAF cells, whereas it transiently activates the expression of these genes in tumor cells with wild-type RAF. Thus, PLX4032 inhibits ERK signaling output in a mutant BRAF-selective manner. These data explain why the drug selectively inhibits the growth of mutant BRAF tumors and suggest that it will not cause toxicity resulting from the inhibition of ERK signaling in normal cells. This selectivity may lead to a broader therapeutic index and help explain the greater antitumor activity observed with this drug than with MEK inhibitors.