Camptothecin

3.1 Einführung

Camptothecin (CPT) ist ein Monoterpen-Indol-Alkaloid, das erstmals Mitte 1958 von Monroe Wall und Mansukh Wani in der Pflanzeneinführungsabteilung des USDA aus Camptotheca acuminata isoliert wurde (Wall et al., 1966). C. acuminata ist ein in China heimischer Baum, dessen Rinde seit jeher in der traditionellen chinesischen Medizin verwendet wird. Die Ereignisse der Entdeckung von CPT wurden von Wall und Wani (1996), den Mitentdeckern von CPT und Taxol, ausführlich beschrieben. Später, in den 1950er und späten 1960er Jahren, veranlasste die starke krebsbekämpfende Wirkung von CPT Wissenschaftler dazu, die chemische Gesamtsynthese zu untersuchen und sein Potenzial durch präklinische und klinische Studien zu validieren (Schultz, 1973). Die Wirksamkeit von CPT wurde in den Vereinigten Staaten in klinischen Studien der Phase I (Gottlieb und Luce, 1972; Muggia et al., 1972) und der Phase II (Moertel et al., 1972) untersucht. In China wurde CPT klinisch zur Behandlung von Magen- und Blasenkrebs und bestimmten Leukämiearten eingesetzt, häufig in Kombination mit Kortikosteroiden (Pettit, 1976). Die ersten Studien deuteten darauf hin, dass die wasserlösliche Carboxylatform von CPT (CPT-Natriumsalz) einige positive Ergebnisse bei der Behandlung von Hals- oder Blasenkrebs in China zeigte (Xu, 1980). Die Ergebnisse klinischer Studien aus den Vereinigten Staaten, bei denen die Carboxylatform von CPT verwendet wurde, schienen jedoch nicht so vielversprechend zu sein wie das Krebsmedikament. Diese Inkonsistenz könnte darauf zurückzuführen sein, dass in die klinischen Studien in den USA nur Patienten einbezogen wurden, die bereits auf andere Behandlungen angesprochen hatten. Dennoch veranlasste das Fehlen einer konsistenten Wirksamkeit der Carboxylatform von CPT in klinischen Studien die Forscher, sich auf die CPT-Laktonform zu konzentrieren, um weitere verbesserte Medikamente zu finden. Die klinischen Versuche mit CPT wurden jedoch in den 1970er Jahren im Wesentlichen eingestellt, da die wasserunlösliche Eigenschaft von CPT in der Lactonform nicht behoben werden konnte, die Ansprechraten niedrig waren und eine hohe Toxizität wie Myelosuppression, gastrointestinale Toxizitäten und hämorrhagische Zystitis auftrat (Horwitz, 1975; Rozencweig et al., 1976)

Obwohl die klinischen Versuche mit CPT in den 1970er Jahren endeten, wurden die Untersuchungen zu seinem Wirkmechanismus in den folgenden Jahren fortgesetzt. Das Ehepaar Dr. Marshall und Susan Horwitz vom Albert Einstein College of Medicine und andere haben die ersten Erkenntnisse über den Wirkungsmechanismus von CPT gewonnen. Ihre Studien zeigten, dass CPT die DNA- und RNA-Synthese (einschließlich ribosomaler RNA) hemmt und DNA-Schäden induziert (Horwitz et al., 1971; Kessel, 1971; Abelson und Penman, 1972; Wu et al., 1971; Horwitz und Horwitz, 1973). Diese Wissenschaftler stellten fest, dass CPT während der S-Phase des Zellzyklus am stärksten wirkt, und vermuteten, dass der Eingriff während der DNA-Replikation eine Rolle beim CPT-induzierten Zelltod spielen könnte. Spätere Studien wiesen darauf hin, dass CPT den Zellzyklus sowohl in der S- als auch in der G2-Phase anhält, was die Ursache für die Zytotoxizität von CPT ist (Tsao et al., 1992; Goldwasser et al., 1996). In den frühen 1980er Jahren wurde eine Reihe von nicht verwandten DNA-schädigenden Wirkstoffen zur Behandlung von Krebs und bakteriellen Infektionen klinisch erforscht. Studien ergaben, dass zwei verschiedene Klassen von DNA-schädigenden Medikamenten, wie die Chinolon-Antibiotika (Cinoxacin, Nalidixinsäure und Ciprofloxacin) und Podophyllotoxin-Derivate (Etoposid und Teniposid), DNA-schädigend sind. Beide Medikamentenklassen haben den gleichen Wirkmechanismus, nämlich die Hemmung der Topoisomerase II (Top2), eines Enzyms, das während der S-Phase aktiv ist und die DNA-Replikation unterstützt (Froelich-Ammon und Osheroff, 1995). Das Team von Dr. Leroy F. Liu an der John Hopkins University testete in Zusammenarbeit mit den Smith Kline & French Laboratories in Philadelphia, ob CPT auch eine ähnliche Aktivität hat, um den Zelltod auszulösen. Zu ihrer Überraschung konnte 125 µM CPT die Top2-abhängige DNA-Spaltung nicht hemmen. Als sie jedoch andere Enzyme testeten, die mit der DNA-Replikation in Verbindung stehen, beobachteten sie eine starke und dosisabhängige Induktion von DNA-Schäden in Gegenwart von Topoisomerase I (Top1) (Hsiang et al., 1985). Top1-Orthologe kommen in allen Eukaryonten vor und scheinen ein wesentliches Enzym während der Entwicklung in einer Vielzahl von Tieren zu sein. So ist das Ausschalten von Top1 während früher Entwicklungsstadien sowohl bei Mus musculus (Morham et al., 1996) als auch bei Drosophila melanogaster (Zhang et al., 2000a,b) letal. DNA Top1 ist das Enzym, das während der DNA-Replikation und Transkription für die Auflockerung der supergewundenen DNA verantwortlich ist. Top1 spaltet zunächst die supercoiled DNA, um einen einzelsträngigen Bruch (nick) in die DNA einzubringen, und bindet kovalent an das 3′-Ende der nicked DNA und ermöglicht es dem 5′-nicked Strang, sich kontrolliert um den intakten Strang zu drehen. Nach der Rotation religiiert Top1 den eingekerbten Strang (Koster et al., 2005). Die Bildung des Top1-DNA-Komplexes während der DNA-Replikation wird gemeinhin als „kovalenter Top1-Komplex“ bezeichnet, was auf die kovalente Bindung zwischen Top1 und dem eingekerbten Strang zurückzuführen ist (Pommier, 2006). CPT und CPT-Analoga erfordern eine Hemmung der Top1-Aktivität (Eng et al., 1988; Nitiss und Wang, 1988), was zum Zelltod führt. In der Zelle integriert sich CPT in den kovalenten Top1/DNA-Komplex und bildet einen ternären Komplex. Daher sind sowohl Top1 als auch die DNA für die Aktivität notwendig, und CPT zeigt keine Bindungsfähigkeit in Abwesenheit von einem der beiden (Leteurtre et al., 1993). CPT bindet sowohl an das Top1-Enzym als auch an den intakten DNA-Strang durch Wasserstoffbrückenbindung und verhindert sowohl die Religation der eingekerbten DNA als auch die Dissoziation von Top1 von der DNA. Während der Replikation wirkt dieser ternäre CPT-Komplex als Hindernis für die Replikationsgabel. Die Kollision zwischen dem ternären Komplex und der Replikationsgabel verursacht Scherstress auf dem intakten DNA-Strang, was zum Bruch und zum Zelltod führt. Das bekannte Ziel von CPT und seinen Analoga ist der Top1-DNA-Komplex. Wie bereits erwähnt, wurde jedoch nachgewiesen, dass CPT auch die Protein-, RNA- und DNA-Synthese beeinflusst, was darauf hindeutet, dass CPT auch andere zelluläre Ziele haben könnte. Die hemmende Wirkung von CPT wird auch dadurch bestätigt, dass Hefezellen mit deletiertem Top1 funktionell immun gegen CPT und seine Analoga werden und dass Säugetier- oder menschliche Krebszellen resistent gegen CPT werden, wenn Top1 mutiert ist (Gongora et al., 2011; Urasaki et al., 2001; Benedetti et al., 1993; Chang et al., 2002; Arakawa et al., 2013; Jensen et al., 2016). Die Überexpression einer Top1-Mutante (Yanase et al., 1999) führt zu einer erhöhten Aktivität der Top1-verstärkten CPT-Empfindlichkeit (Wu et al., 2014). Die am ausführlichsten untersuchte und dokumentierte Wirkungsweise von CPT und seinen Analoga ist die Hemmung der DNA. In der vorliegenden Übersicht werden jedoch verschiedene andere zelluläre und molekulare Ziele von CPT erörtert, die ebenfalls für die krebsbekämpfende Wirkung verantwortlich sind.