Camptothecin

3.1 Johdanto

Camptothecin (CPT) on monoterpeeni-indolialkaloidi, jonka Monroe Wall ja Mansukh Wani eristivät ensimmäisen kerran Camptotheca acuminatasta USA:n maatalousministeriön kasvi-intruusio-osastolla vuoden 1958 puolivälissä (Wall et al., 1966). C. acuminata on Kiinasta kotoisin oleva puu, ja sen kuorta on käytetty kiinalaisessa perinteisessä lääketieteessä ammoisista ajoista lähtien. Wall ja Wani (1996), CPT:n ja taksolin yhteiskeksijät, ovat käyneet hyvin läpi CPT:n löytämisen tapahtumat. Myöhemmin 1950-luvulla ja 1960-luvun lopulla CPT:n voimakas syöpälääkitys sai tutkijat tutkimaan kemiallista kokonaissynteesiä ja validoimaan sen potentiaalin prekliinisillä ja kliinisillä tutkimuksilla (Schultz, 1973). CPT:n tehoa tutkittiin Yhdysvalloissa suorittamalla vaiheen I (Gottlieb ja Luce, 1972; Muggia et al., 1972) ja vaiheen II kliinisiä tutkimuksia (Moertel et al., 1972). CPT:n kliininen käyttö oli ilmeistä Kiinassa vatsa- ja virtsarakon syövän ja tietyntyyppisen leukemian hoidossa, usein yhdessä kortikosteroidien kanssa (Pettit, 1976). Varhaiset tutkimukset osoittivat, että CPT:n vesiliukoisella karboksylaattimuodolla (CPT:n natriumsuola) oli Kiinassa joitakin myönteisiä tuloksia kaula- tai virtsarakon syövän hoidossa (Xu, 1980). Yhdysvalloissa tehdyissä kliinisissä tutkimuksissa, joissa käytettiin CPT:n karboksylaattimuotoa, tulokset eivät kuitenkaan näyttäneet olevan yhtä lupaavia syöpälääkkeitä. Tämä epäjohdonmukaisuus saattaa johtua siitä, että yhdysvaltalaisissa kliinisissä tutkimuksissa oli mukana vain potilaita, jotka olivat jo osoittaneet resistenssiä muulle hoidolle. CPT:n karboksylaattimuodon johdonmukaisen tehon puute kliinisissä tutkimuksissa sai tutkijat kuitenkin keskittymään CPT:n laktonimuotoon lääkkeiden parantamiseksi edelleen. Kliiniset tutkimukset CPT:llä lopetettiin kuitenkin olennaisesti 1970-luvulla, koska laktonimuodossa olevan CPT:n veteen liukenematonta ominaisuutta ei kyetty ratkaisemaan, vaste oli alhainen ja toksisuus, kuten myelosuppressio, ruoansulatuskanavan toksisuus ja hemorraginen kystiitti, oli voimakasta (Horwitz, 1975; Rozencweig ym., 1976)

Vaikka CPT:n kliiniset tutkimukset lopetettiinkin 1970-luvulla, CPT:n vaikutusmekanismiin liittyviä tutkimuksia jatkettiin myöhempinä vuosina. Tohtoreiden Marshall ja Susan Horwitzin aviopari Albert Einsteinin lääketieteellisessä korkeakoulussa sekä muut tekivät varhaisia CPT:n vaikutusmekanismiin liittyviä havaintoja. Heidän tutkimuksensa osoittivat, että CPT estää DNA:n ja RNA:n (myös ribosomaalisen RNA:n) synteesiä ja aiheuttaa DNA-vaurioita (Horwitz ym., 1971; Kessel, 1971; Abelson ja Penman, 1972; Wu ym., 1971; Horwitz ja Horwitz, 1973). Nämä tutkijat havaitsivat, että CPT on voimakkaimmillaan solusyklin S-vaiheessa, ja ennustivat, että DNA:n replikaation aikana tapahtuvalla interventiolla saattaa olla merkitystä CPT:n aiheuttamassa solukuolemassa. Myöhemmät tutkimukset osoittivat, että CPT pysäytti solusyklin sekä S- että G2-vaiheessa, jotka ovat syynä CPT:n sytotoksisuuteen (Tsao ym., 1992; Goldwasser ym., 1996). 1980-luvun alussa tutkittiin kliinisesti useita toisiinsa liittymättömiä DNA:ta vahingoittavia aineita syövän ja bakteeri-infektioiden hoitoon. Tutkimuksissa paljastui kaksi eri luokkaa DNA:ta vahingoittavia lääkkeitä, kuten kinoloniantibiootit (kinoksasiini, nalidiksiinihappo ja siprofloksasiini) ja podofyllotoksiinijohdannaiset (etoposidi ja teniposidi), joiden todettiin olevan DNA:ta vahingoittavia. Molemmilla lääkeryhmillä oli sama vaikutusmekanismi eli topoisomeraasi II:n (Top2) estäminen, joka on S-vaiheen aikana aktiivinen entsyymi, joka auttaa DNA:n replikaatioilmiötä (Froelich-Ammon ja Osheroff, 1995). Tämän huomattuaan tohtori Leroy F. Liun työryhmä John Hopkinsissa testasi yhteistyössä Philadelphiassa sijaitsevan Smith Kline & French Laboratoriesin kanssa, onko CPT:llä myös samanlainen solukuolemaa aiheuttava vaikutus. Heidän yllätyksekseen 125 µM CPT ei estänyt Top2-riippuvaista DNA:n pilkkoutumista. Kun he kuitenkin testasivat muita DNA:n replikaatioon liittyviä entsyymejä, he havaitsivat voimakkaan ja annosriippuvaisen DNA-vaurion indusoitumisen topoisomeraasi I:n (Top1) läsnä ollessa (Hsiang et al., 1985). Top1:n ortologeja esiintyy kaikissa eukaryooteissa, ja se näyttää olevan välttämätön entsyymi monien eri eläinten kehityksen aikana. Esimerkiksi Top1:n tyrmääminen kehityksen varhaisvaiheissa on tappavaa sekä Mus musculukselle (Morham et al., 1996) että Drosophila melanogasterille (Zhang et al., 2000a,b). DNA Top1 on entsyymi, joka vastaa superkierteisen DNA:n rentoutumisesta DNA:n replikaatio- ja transkriptioprosessin aikana. Top1 pilkkoo ensin superkierrettyä DNA:ta, jolloin DNA:han syntyy yksisäikeinen katkos eli nikki, ja sitoutuu kovalenttisesti nikin saaneeseen 3′-päätteiseen DNA:han ja sallii 5′-nikkelöityneen säikeen kiertyä kontrolloidusti ehjän säikeen ympärillä. Pyörimisen jälkeen Top1 uskonnollistaa niksautuneen säikeen (Koster et al., 2005). Tätä Top1-DNA-kompleksin muodostumista DNA:n replikaation aikana kutsutaan yleisesti ”Top1:n kovalenttiseksi kompleksiksi” Top1:n ja niklattujen säikeiden välisen kovalenttisen sidoksen vuoksi (Pommier, 2006). CPT ja CPT-analogit edellyttävät Top1-aktiivisuuden estämistä (Eng ym., 1988; Nitiss ja Wang, 1988), mikä johtaa solukuolemaan. Solussa CPT integroituu Top1/DNA-kovalenttiseen kompleksiin muodostaen ternäärisen kompleksin. Näin ollen sekä Top1 että DNA ovat välttämättömiä aktiivisuudelle, eikä CPT:llä ole sitoutumiskykyä kummankaan puuttuessa (Leteurtre et al., 1993). CPT sitoutuu sekä Top1-entsyymiin että ehjään DNA-juosteeseen vetysidoksen kautta ja estää sekä niksautuneen DNA:n religoitumisen että Top1:n dissosioitumisen DNA:sta. Replikaation aikana tämä CPT-kaksoiskompleksi toimii replikaatiohaarukan esteenä. Ternäärisen kompleksin ja replikaatiohaarukan välinen törmäys aiheuttaa leikkausrasitusta ehjään DNA-juosteeseen, mikä johtaa rikkoutumiseen ja solukuolemaan. CPT:n ja sen analogien tunnettu kohde on Top1-DNA-kompleksi. Kuten edellä mainittiin, on kuitenkin osoitettu, että CPT vaikuttaa myös proteiini-, RNA- ja DNA-synteesiin, mikä viittaa siihen, että CPT:llä voi olla muitakin solukohteita. CPT:n inhiboiva aktiivisuus vahvistetaan edelleen, kun hiivasoluista, joissa on poistettu Top1, tulee toiminnallisesti immuuneja CPT:lle ja sen analogeille, ja nisäkkäiden tai ihmisen syöpäsoluista tulee vastustuskykyisiä CPT:lle, kun Top1 on mutatoitunut (Gongora et al., 2011; Urasaki et al., 2001; Benedetti et al., 1993; Chang et al., 2002; Arakawa et al., 2013; Jensen et al., 2016). Mutantti Top1:n yliekspressio (Yanase et al., 1999) johtaa Top1:n tehostetun CPT-herkkyyden lisääntyneeseen aktiivisuuteen (Wu et al., 2014). CPT:n ja sen analogien laajimmin tutkittu ja dokumentoitu vaikutustapa on DNA:n estäminen. Tässä katsauksessa käsitellään kuitenkin erilaisia muita CPT:n solu- ja molekyylikohteita, jotka ovat myös vastuussa syöpää ehkäisevästä vaikutuksesta.