Camptothecine

3.1 Inleiding

Camptothecine (CPT) is een monoterpeen indoolalkaloïde dat voor het eerst werd geïsoleerd uit Camptotheca acuminata door Monroe Wall en Mansukh Wani bij de USDA’s Plant Introduction Division medio 1958 (Wall et al., 1966). C. acuminata is een boom die inheems is in China en de schors wordt sinds mensenheugenis gebruikt in de Chinese traditionele geneeskunde. De gebeurtenissen rond de ontdekking van CPT zijn goed beschreven door Wall en Wani (1996), de mede-ontdekkers van CPT en Taxol. Later in de jaren 1950 en de late jaren 1960 brachten de krachtige antikankeractiviteiten van CPT wetenschappers ertoe de totale chemische synthese te onderzoeken en het potentieel ervan door preklinische en klinische studies te valideren (Schultz, 1973). De werkzaamheid van CPT werd in de Verenigde Staten onderzocht door fase I (Gottlieb en Luce, 1972; Muggia et al., 1972) en fase II klinische proeven (Moertel et al., 1972) uit te voeren. Klinisch gebruik van CPT was duidelijk in China voor de behandeling van maag- en blaaskanker en bepaalde soorten leukemie, vaak in combinatie met corticosteroïden (Pettit, 1976). De eerste onderzoeken wezen uit dat de in water oplosbare carboxylaatvorm van CPT (natriumzout van CPT) enkele positieve resultaten liet zien tegen hals- of blaaskanker in China (Xu, 1980). De resultaten van klinische studies uit de Verenigde Staten met gebruikmaking van de carboxylaatvorm van CPT bleken echter niet zo veelbelovend te zijn als het antikankermiddel. Deze inconsistentie zou kunnen worden toegeschreven aan het feit dat de Amerikaanse klinische proeven alleen patiënten omvatten die reeds resistentie hadden getoond tegen andere behandelingen. Niettemin heeft het gebrek aan consistente werkzaamheid van de carboxylaatvorm van CPT in klinische proeven de onderzoekers ertoe aangezet zich te concentreren op de lactonvorm van CPT voor verder verbeterde geneesmiddelen. Klinische proeven met CPT’s werden echter in de jaren 1970 in wezen gestaakt vanwege het onvermogen om de in water onoplosbare eigenschap van CPT in de lactonvorm op te lossen, lage responspercentages, en hoge toxiciteit zoals myelosuppressie, gastro-intestinale toxiciteit, en hemorragische cystitis (Horwitz, 1975; Rozencweig et al., 1976)

Hoewel klinische proeven met CPT in de jaren 1970 eindigden, gingen de studies met betrekking tot het werkingsmechanisme ervan in latere jaren door. Het echtpaar Dr. Marshall en Dr. Susan Horwitz van het Albert Einstein College of Medicine, en ook anderen, deden de eerste bevindingen met betrekking tot het werkingsmechanisme van CPT. Uit hun studies bleek dat CPT de DNA- en RNA-synthese (met inbegrip van ribosomaal RNA) remt en DNA-schade induceert (Horwitz et al., 1971; Kessel, 1971; Abelson and Penman, 1972; Wu et al., 1971; Horwitz and Horwitz, 1973). Deze wetenschappers merkten op dat CPT het krachtigst is tijdens de S-fase van de celcyclus en voorspelden dat de interventie tijdens de DNA-replicatie een rol zou kunnen spelen in de door CPT geïnduceerde celdood. Latere studies gaven aan dat CPT de celcyclus in zowel de S- als de G2-fase arresteerde, hetgeen de oorzaken zijn van de cytotoxiciteit van CPT (Tsao et al., 1992; Goldwasser et al., 1996). In het begin van de jaren tachtig werd een aantal niet-verwante DNA-beschadigende middelen klinisch onderzocht voor de behandeling van kanker en bacteriële infecties. Onderzoek bracht twee verschillende klassen van DNA-beschadigende middelen aan het licht, zoals de quinolon antibiotica (cinoxacine, nalidixinezuur en ciprofloxacine) en podofylotoxinederivaten (etoposide en teniposide), waarvan werd vastgesteld dat ze DNA-beschadigend zijn. Beide soorten geneesmiddelen hebben hetzelfde werkingsmechanisme, namelijk remming van topoisomerase II (Top2), een enzym dat actief is tijdens de S-fase en dat helpt bij het DNA-replicatiefenomeen (Froelich-Ammon en Osheroff, 1995). Dit opmerkend testte het team van Dr. Leroy F. Liu aan John Hopkins, in samenwerking met Smith Kline & French Laboratories in Philadelphia, of CPT ook een soortgelijke activiteit heeft om celdood te induceren. Tot hun verbazing bleek 125 µM CPT de Top2-afhankelijke DNA-splitsing niet te remmen. Toen zij echter andere enzymen testten die betrokken zijn bij de DNA-replicatie, namen zij een krachtige en dosis-afhankelijke inductie van DNA-schade waar in aanwezigheid van topoisomerase I (Top1) (Hsiang et al., 1985). Top1-orthologen worden in alle eukaryoten aangetroffen en blijken een essentieel enzym te zijn tijdens de ontwikkeling in een grote verscheidenheid van dieren. Bijvoorbeeld, het uitschakelen van Top1 tijdens de vroege stadia van de ontwikkeling is dodelijk voor zowel Musculus (Morham et al., 1996) als Drosophila melanogaster (Zhang et al., 2000a,b). DNA Top1 is het enzym dat verantwoordelijk is voor het ontspannen van supercoiled DNA tijdens het proces van DNA replicatie en transcriptie. Top1 splitst supergewikkeld DNA om een enkelstrengs breuk, of nick, in het DNA te introduceren en bindt zich covalent aan het gejatte 3′-uiteinde van het DNA en laat de 5′-gejette streng op een gecontroleerde manier rond de intacte streng draaien. Na de rotatie religeert Top1 de vernikkelde streng (Koster et al., 2005). Deze Top1-DNA complexvorming tijdens DNA replicatie wordt gewoonlijk aangeduid als het “Top1 covalent complex”, vanwege de covalente binding tussen Top1 en de gejutte streng (Pommier, 2006). CPT en CPT-analoga vereisen remming van Top1-activiteit (Eng et al., 1988; Nitiss en Wang, 1988), met celdood tot gevolg. In de cel integreert CPT zich in het Top1/DNA covalente complex, waardoor een ternair complex wordt gevormd. Zowel Top1 als DNA zijn dus nodig voor de activiteit, en CPT vertoont geen bindingscapaciteit in afwezigheid van een van beide (Leteurtre et al., 1993). CPT bindt zowel aan het Top1 enzym als aan de intacte DNA streng door waterstofbinding en voorkomt zowel de religatie van het gejatte DNA als de dissociatie van Top1 van het DNA. Tijdens de replicatie fungeert dit CPT-ternaire complex als een wegversperring voor de replicatievork. De botsing tussen het ternaire complex en de replicatievork veroorzaakt afschuifspanning op intacte DNA-streng, wat resulteert in breuk en celdood. Het bekende doelwit van CPT en zijn analogen is het Top1-DNA-complex. Zoals hierboven vermeld, is echter aangetoond dat CPT ook de synthese van eiwitten, RNA en DNA beïnvloedt, hetgeen suggereert dat CPT andere cellulaire doelwitten zou kunnen hebben. De remmende activiteit van CPT wordt verder bevestigd wanneer gistcellen met verwijderde Top1 functioneel immuun worden voor CPT en zijn analogen, en zoogdier- of humane kankercellen resistent worden tegen CPT wanneer Top1 is gemuteerd (Gongora et al., 2011; Urasaki et al., 2001; Benedetti et al., 1993; Chang et al., 2002; Arakawa et al., 2013; Jensen et al., 2016). Overexpressie van een mutant Top1 (Yanase et al., 1999) resulteert in verhoogde activiteit van Top1-geïnduceerde CPT-gevoeligheid (Wu et al., 2014). De meest uitvoerig bestudeerde en gedocumenteerde werkingswijze van CPT en zijn analogen is remming van DNA. In dit overzicht worden echter verschillende andere cellulaire en moleculaire doelwitten van CPT besproken die ook verantwoordelijk zijn voor antikankeractiviteit.