Camptothecin

3.1 Wprowadzenie

Camptothecin (CPT) jest monoterpenowym alkaloidem indolowym, który został po raz pierwszy wyizolowany z Camptotheca acuminata przez Monroe Wall i Mansukh Wani w USDA’s Plant Introduction Division w połowie 1958 roku (Wall et al., 1966). C. acuminata jest drzewem pochodzącym z Chin, a jego kora jest stosowana w tradycyjnej medycynie chińskiej od niepamiętnych czasów. Wydarzenia związane z odkryciem CPT zostały dokładnie opisane przez Wall’a i Wani’ego (1996), współodkrywców CPT i Taxolu. Później, w latach 50-tych i pod koniec 60-tych, silna aktywność przeciwnowotworowa CPT skłoniła naukowców do zbadania całkowitej syntezy chemicznej i potwierdzenia jego potencjału w badaniach przedklinicznych i klinicznych (Schultz, 1973). Skuteczność CPT została zbadana w Stanach Zjednoczonych poprzez przeprowadzenie badań klinicznych fazy I (Gottlieb i Luce, 1972; Muggia i in., 1972) i fazy II (Moertel i in., 1972). Kliniczne zastosowanie CPT było widoczne w Chinach w leczeniu raka żołądka i pęcherza moczowego oraz niektórych rodzajów białaczki, często w połączeniu z kortykosteroidami (Pettit, 1976). Wczesne badania wskazały, że rozpuszczalna w wodzie postać karboksylanowa CPT (sól sodowa CPT) wykazała pewne pozytywne wyniki przeciwko rakowi szyi lub pęcherza moczowego w Chinach (Xu, 1980). Jednakże, wyniki badań klinicznych ze Stanów Zjednoczonych przy użyciu karboksylanowej formy CPT okazały się nie być tak obiecującym lekiem przeciwnowotworowym. Ta niespójność może być spowodowana faktem, że w amerykańskich badaniach klinicznych brali udział tylko pacjenci, którzy wykazali już oporność na inne leczenie. Niemniej jednak, brak stałej skuteczności karboksylanowej formy CPT w badaniach klinicznych skłonił badaczy do skupienia się na formie laktonowej CPT w celu dalszego ulepszania leków. Jednak badania kliniczne z CPT zostały zasadniczo przerwane w 1970 roku z powodu niezdolności do rozwiązania nierozpuszczalnej w wodzie właściwości CPT w formie laktonu, niskie wskaźniki odpowiedzi i wysokiej toksyczności, takich jak mielosupresja, toksyczności przewodu pokarmowego i krwotoczne zapalenie pęcherza moczowego (Horwitz, 1975; Rozencweig et al., 1976)

Chociaż badania kliniczne CPT zakończyły się w 1970 roku, badania w odniesieniu do jego mechanizmu działania kontynuowane w późniejszych latach. Zespół małżeński dr Marshall i Susan Horwitz w Albert Einstein College of Medicine, jak również inni, dokonali wczesnych ustaleń związanych z mechanizmem działania CPT. Ich badania ujawniły, że CPT hamuje syntezę DNA i RNA (w tym rybosomalnego RNA) i indukuje uszkodzenia DNA (Horwitz i in., 1971; Kessel, 1971; Abelson i Penman, 1972; Wu i in., 1971; Horwitz i Horwitz, 1973). Naukowcy ci zaobserwowali, że CPT jest najsilniejszy podczas fazy S cyklu komórkowego i przewidywali, że interwencja podczas replikacji DNA może odgrywać rolę w śmierci komórki wywołanej przez CPT. Późniejsze badania wykazały, że CPT zatrzymuje cykl komórkowy zarówno w fazie S, jak i G2, które są przyczyną cytotoksyczności CPT (Tsao et al., 1992; Goldwasser et al., 1996). We wczesnych latach 80. ubiegłego wieku, w leczeniu nowotworów i infekcji bakteryjnych, badano klinicznie szereg niepowiązanych czynników uszkadzających DNA. Badania ujawniły dwie różne klasy leków uszkadzających DNA, takie jak antybiotyki chinolonowe (cynoksacyna, kwas nalidyksowy i ciprofloksacyna) oraz pochodne podofilotoksyny (etopozyd i tenipozyd), które okazały się uszkadzać DNA. Obie te klasy leków miały ten sam mechanizm działania, czyli hamowanie topoizomerazy II (Top2), enzymu aktywnego podczas fazy S, który wspomaga zjawisko replikacji DNA (Froelich-Ammon i Osheroff, 1995). Zauważywszy to zespół dr Leroy F. Liu z John Hopkins, we współpracy z Smith Kline & French Laboratories w Filadelfii, sprawdził, czy CPT ma również podobną aktywność do indukowania śmierci komórek. Ku ich zaskoczeniu, 125 µM CPT nie zahamowało zależnego od Top2 rozszczepiania DNA. Jednakże, gdy testowali inne enzymy związane z replikacją DNA, zaobserwowali silną i zależną od dawki indukcję uszkodzeń DNA w obecności topoizomerazy I (Top1) (Hsiang i in., 1985). Ortologi Top1 występują u wszystkich eukariotów i wydają się być niezbędnym enzymem podczas rozwoju u wielu różnych zwierząt. Na przykład, wyeliminowanie Top1 podczas wczesnych etapów rozwoju jest letalne zarówno u Mus musculus (Morham i in., 1996) jak i Drosophila melanogaster (Zhang i in., 2000a,b). DNA Top1 jest enzymem odpowiedzialnym za rozluźnianie zwiniętego DNA podczas procesu replikacji i transkrypcji. W szczególności Top1 najpierw rozszczepia superskręcony DNA, aby wprowadzić jednoniciową przerwę, czyli nici, do DNA, a następnie wiąże się kowalencyjnie z nicią 3′-końca DNA i pozwala nici 5′-nickowanej obracać się wokół nienaruszonej nici w kontrolowany sposób. Po obrocie Top1 religizuje nici (Koster i in., 2005). To tworzenie kompleksu Top1-DNA podczas replikacji DNA jest powszechnie określane jako „kompleks kowalencyjny Top1”, ze względu na kowalencyjne wiązanie między Top1 a nicią nici (Pommier, 2006). CPT i analogi CPT wymagają zahamowania aktywności Top1 (Eng i in., 1988; Nitiss i Wang, 1988), co prowadzi do śmierci komórki. W komórce CPT integruje się z kompleksem kowalencyjnym Top1/DNA, tworząc kompleks trójskładnikowy. Stąd zarówno Top1 jak i DNA są niezbędne do aktywności, a CPT nie wykazuje zdolności wiązania w przypadku braku któregokolwiek z nich (Leteurtre i in., 1993). CPT wiąże się zarówno z enzymem Top1, jak i z nienaruszoną nicią DNA poprzez wiązanie wodorowe i zapobiega zarówno religacji nici DNA, jak i dysocjacji Top1 od DNA. Podczas replikacji ten trójskładnikowy kompleks CPT działa jak blokada na drodze do widełek replikacyjnych. Zderzenie kompleksu trójskładnikowego z widełkami replikacyjnymi powoduje naprężenia ścinające na nienaruszonej nici DNA, co prowadzi do jej pęknięcia i śmierci komórki. Znanym celem działania CPT i jego analogów jest kompleks Top1-DNA. Jednakże, jak wspomniano powyżej, wykazano, że CPT wpływa również na syntezę białek, RNA i DNA, co sugeruje, że CPT może mieć również inne cele komórkowe. Hamująca aktywność CPT jest dodatkowo potwierdzona, gdy komórki drożdży z usuniętym Top1 stają się funkcjonalnie odporne na CPT i jego analogi, a komórki nowotworowe ssaków lub człowieka stają się oporne na CPT, gdy Top1 jest zmutowany (Gongora i in., 2011; Urasaki i in., 2001; Benedetti i in., 1993; Chang i in., 2002; Arakawa i in., 2013; Jensen i in., 2016). Nadekspresja zmutowanego Top1 (Yanase i in., 1999) skutkuje zwiększoną aktywnością Top1-wzmocnioną wrażliwością na CPT (Wu i in., 2014). Najszerzej zbadanym i udokumentowanym sposobem działania CPT i jego analogów jest hamowanie DNA. Jednak w niniejszym przeglądzie omówiono różne inne cele komórkowe i molekularne CPT, które również odpowiadają za aktywność przeciwnowotworową.

.