Camptothecin

3.1 Introduction

Camptothecin（CPT）はモノテルペンインドールアルカロイドであり、1958年の半ばにUSDAの植物導入部門のMonroe WallとMansukh WaniによってCamptotheca acuminataから最初に単離した（Wall et al.、1966年）。 C. acuminataは中国原産の樹木で、その樹皮は太古の昔から中国の伝統医学に用いられている。 CPT発見の経緯は、CPTとタキソールの共同開発者であるWall and Wani (1996)がよく振り返っている。 その後、1950年代から1960年代後半にかけて、CPTの強力な抗がん作用により、科学者たちは全化学合成を研究し、前臨床試験および臨床試験によりその可能性を検証した（Schultz、1973年）。 CPTの有効性は、米国で第I相臨床試験（Gottlieb and Luce, 1972; Muggia et al, 1972）および第II相臨床試験（Moertel et al, 1972）が実施され、調査された。 中国では、胃癌、膀胱癌、ある種の白血病の治療にCPTの臨床使用が明らかになり、しばしば副腎皮質ホルモンとの併用が行われた（Pettit, 1976）。 初期の研究では、CPTの水溶性カルボン酸塩形態（CPTナトリウム塩）が、中国における頸部または膀胱癌に対して何らかの好結果を示すことが示された（Xu, 1980）。 しかし、米国で行われたCPTのカルボン酸塩を用いた臨床試験の結果は、それほど有望な抗癌剤ではないように思われた。 この矛盾は、米国の臨床試験が、すでに他の治療に抵抗性を示した患者のみを対象としていることに起因していると考えられる。 それにもかかわらず、臨床試験でカルボン酸型のCPTが一貫して有効でなかったため、研究者はCPTラクトン型に焦点を当て、さらなる薬剤の改良を行うようになったのである。 しかし、ラクトン型のCPTの水に溶けない性質を解消できないこと、奏効率が低いこと、骨髄抑制、消化管毒性、出血性膀胱炎などの毒性が強いことなどから、1970年代にはCPTの臨床試験は実質的に中止となった（Horwitz、1975；Rozencweigら、1976）

1970年代に臨床試験は終了したものの、その作用機構に関する研究は後年継続されていた。 CPTの作用機序については、アルバート・アインシュタイン医科大学のマーシャル、スーザン・ホーウィッツ両博士夫妻をはじめ、多くの研究者によって初期の知見が得られています。 彼らの研究は、CPTがDNAおよびRNA（リボソームRNAを含む）の合成を阻害し、DNA損傷を誘発することを明らかにした（Horwitzら、1971；Kessel、1971；AbelsonおよびPenman、1972；Wuら、1971；HorwitzおよびHorwitz、1973）。 これらの科学者は、CPTが細胞周期のS期に最も強力であることを観察し、DNA複製の間の介入がCPT誘発細胞死に関与しているかもしれないと予想した。 その後の研究により、CPTは細胞周期をS-期とG2-期の両方で停止させ、それがCPTの細胞毒性の原因であることが示された（Tsaoら、1992；Goldwasserら、1996）。 1980年代初頭、癌や細菌感染症を治療するために、多くの無関係なDNA損傷剤が臨床的に研究されていた。 研究により、キノロン系抗生物質（シノキサシン、ナリジクス酸、シプロフロキサシン）とポドフィロトキシン誘導体（エトポシド、テニポシド）のような2種類のDNA損傷薬がDNA損傷を起こすことが判明した。 どちらの薬剤も作用機序は同じで、S期に活性化しDNA複製現象を助ける酵素であるトポイソメラーゼII（Top2）の阻害であった（Froelich-Ammon and Osheroff, 1995）。 このことに注目したジョン・ホプキンスのリロイ・F・リュー博士のチームは、フィラデルフィアのスミスクライン&フランス研究所と共同で、CPTが同様の細胞死誘導活性を持つかどうかを検証した。 驚いたことに、125μMのCPTはTop2依存性のDNA切断を阻害することができなかった。 しかし、DNA複製に関連する他の酵素を試験したところ、トポイソメラーゼI（Top1）の存在下で強力かつ用量依存的にDNA損傷を誘発することが確認された（Hsiangら、1985年）。 Top1のオルソログは全ての真核生物に存在し、様々な動物の発生過程で必須の酵素であるように思われる。 例えば、発生初期にTop1をノックアウトすると、Musculus (Morham et al., 1996) と Drosophila melanogaster (Zhang et al., 2000a,b) は共に致死となる。 DNA Top1は、DNAの複製や転写の過程で、スーパーコイル化したDNAを緩和する役割を担う酵素である。 Top1はまず、スーパーコイルDNAを切断して一本鎖切断（ニック）を導入し、ニックの入った3末端DNAに共有結合して、5′ニックの入った鎖を無傷の鎖の周りを制御された方法で回転させることができるようにする。 回転の後、Top1はニックのある鎖を宗教化する（Koster et al.、2005）。 このDNA複製時のTop1-DNA複合体形成は、Top1とニッケル鎖が共有結合していることから、一般に「Top1 covalent complex」と呼ばれている（Pommier, 2006）。 CPTおよびCPTアナログは、Top1の活性を阻害する必要があり（Eng et al.、1988；Nitiss and Wang、1988）、その結果、細胞死を引き起こす。 細胞内では、CPTはTop1/DNA共有結合型複合体に取り込まれ、三元複合体を形成している。 したがって、CPTの活性にはTop1とDNAの両方が必要であり、どちらか一方が欠けた状態では結合能を示さない（Leteurtre et al.） CPTはTop1酵素と無傷のDNA鎖の両方に水素結合を介して結合し、ニックのついたDNAの再結合とTop1のDNAからの解離の両方を防いでいる。 複製時には、このCPT-三元複合体は複製フォークのロードブロックとして機能する。 このCPT-3元複合体と複製フォークの衝突は、無傷のDNA鎖にせん断応力を与え、その結果、DNAが切断され、細胞死が引き起こされると考えられている。 CPTとその類似化合物の標的は、Top1-DNA複合体であることが知られている。 しかし、前述のように、CPTはタンパク質、RNA、DNAの合成にも影響を与えることが証明されており、CPTが他の細胞標的を持つ可能性が示唆されている。 Top1を欠失させた酵母細胞がCPTおよびそのアナログに機能的に免疫するようになり、Top1を変異させると哺乳類またはヒトのがん細胞がCPTに抵抗性になることから、CPTの阻害活性はさらに確認されている（Gongoraら、2011；Urasakiら、2001；Benedettiら、1993；Changら、2002； Arakawaら、2013；Jensenら、2016）。 変異型Top1を過剰発現させると（Yanase et al., 1999）、Top1によるCPT感受性の活性が上昇する（Wu et al., 2014）。 CPTおよびそのアナログの最も広く研究され、文書化された作用機序は、DNAの阻害である。 しかし、本総説では、抗がん作用の原因となるCPTの他の様々な細胞および分子標的について議論する

。