Структура паклитаксела , широко используемого ингибитора митоза.
Митотический ингибитор , ингибитор микротрубочек или ингибитор тубулина — это препарат, который подавляет митоз или деление клеток и используется при лечении рака , подагры и грибка ногтей . Эти препараты разрушают микротрубочки , которые являются структурами, которые разделяют хромосомы при делении клетки. Митотические ингибиторы используются при лечении рака , поскольку раковые клетки способны расти посредством непрерывного деления , которое в конечном итоге распространяется по всему телу ( метастазирует ). Таким образом, раковые клетки более чувствительны к ингибированию митоза, чем нормальные клетки. Митотические ингибиторы также используются в цитогенетике (изучении хромосом), где они останавливают деление клеток на стадии, когда хромосомы можно легко исследовать. [1]
Митотические ингибиторы получают из природных веществ, таких как растительные алкалоиды , и предотвращают митоз клеток, нарушая полимеризацию микротрубочек, тем самым предотвращая раковый рост. Микротрубочки — это длинные, похожие на веревки белки, которые простираются через клетку и перемещают клеточные компоненты. Микротрубочки — это длинные полимеры , состоящие из более мелких единиц ( мономеров ) белка тубулина . Микротрубочки создаются во время нормальных функций клетки путем сборки (полимеризации) компонентов тубулина и разбираются, когда они больше не нужны. Одной из важных функций микротрубочек является перемещение и разделение хромосом и других компонентов клетки для деления клетки ( митоза ). Митотические ингибиторы препятствуют сборке и разборке тубулина в полимеры микротрубочек. Это прерывает деление клетки, обычно во время фазы митоза (М) клеточного цикла , когда два набора полностью сформированных хромосом должны разделиться на дочерние клетки. [2] [3] Молекулы, связывающие тубулин, вызвали значительный интерес после внедрения таксанов в клиническую онкологию и широкого использования алкалоидов барвинка .
Микротрубочки являются ключевыми компонентами цитоскелета эукариотических клеток и играют важную роль в различных клеточных функциях, таких как внутриклеточная миграция и транспорт, поддержание формы клеток, полярность, клеточная сигнализация и митоз. [4] Они играют важную роль в клеточном делении , участвуя в движении и прикреплении хромосом на различных стадиях митоза. Поэтому динамика микротрубочек является важной целью для разработки противораковых препаратов . [5]
Структура
Микротрубочки состоят из двух глобулярных белковых субъединиц, α- и β-тубулина. Эти две субъединицы объединяются, образуя α,β- гетеродимер , который затем собирается в нитевидную трубчатую структуру. Гетеродимеры тубулина располагаются по принципу «голова к хвосту», при этом α-субъединица одного димера контактирует с β-субъединицей другого. Такое расположение приводит к образованию длинных белковых волокон, называемых протофиламентами.
Эти протофиламенты образуют остов полой цилиндрической микротрубочки диаметром около 25 нанометров и длиной от 200 нанометров до 25 микрометров. Около 12–13 протофиламентов располагаются параллельно, образуя С-образный белковый лист, который затем закручивается, образуя трубчатую структуру, называемую микротрубочкой. Расположение гетеродимеров «голова к хвосту» придает полярность полученной микротрубочке, которая имеет α-субъединицу на одном конце и β-субъединицу на другом конце. Конец α-тубулина имеет отрицательные (–) заряды, в то время как конец β-тубулина имеет положительные (+) заряды. [4] Микротрубочка растет из дискретных участков сборки в клетках, называемых центрами организации микротрубочек (ЦОМТ), которые представляют собой сеть белков, ассоциированных с микротрубочками (МАП). [6] [7]
Две молекулы богатого энергией гуанозинтрифосфата (ГТФ) также являются важными компонентами структуры микротрубочки. Одна молекула ГТФ прочно связана с α-тубулином и не подлежит обмену, тогда как другая молекула ГТФ связана с β-тубулином и может быть легко обменена с гуанозиндифосфатом (ГДФ). Стабильность микротрубочки будет зависеть от того, занят ли β-конец ГТФ или ГДФ. Микротрубочка, имеющая молекулу ГТФ на β-конце, будет стабильной и продолжит расти, тогда как микротрубочка, имеющая молекулу ГДФ на β-конце, будет нестабильной и быстро деполимеризуется. [6] [7]
Динамика микротрубочек
Микротрубочки не статичны , но они являются высокодинамичными полимерами и демонстрируют два вида динамического поведения: « динамическую нестабильность » и « бегущую дорожку ». Динамическая нестабильность — это процесс, при котором концы микротрубочек переключаются между периодами роста и укорочения. Два конца не равны, α-тубулиновый кольцевой (-) конец менее динамичен, в то время как более динамичный β-тубулиновый кольцевой (+) конец растет и укорачивается быстрее. Микротрубочка претерпевает длительные периоды медленного удлинения, короткие периоды быстрого укорочения, а также паузу, в которой нет ни роста, ни укорочения. [4] [7] [8]
Динамическая нестабильность характеризуется четырьмя переменными: скоростью роста микротрубочек; скоростью укорочения; частотой перехода от состояния роста или паузы к укорочению (называемой « катастрофой ») и частотой перехода от укорочения к росту или паузе (называемой « спасением »).
Другое динамическое поведение, называемое тредмиллингом, представляет собой чистый рост микротрубочки на одном конце и чистое укорочение на другом конце. Оно включает в себя внутренний поток субъединиц тубулина от плюс-конца к минус-концу. Оба динамических поведения важны, и конкретная микротрубочка может демонстрировать в первую очередь динамическую нестабильность, тредмиллинг или смесь того и другого. [8] [9]
Механизм действия
Агенты, которые действуют как ингибиторы тубулина, также действуют как ингибиторы деления клеток. Микротрубочка существует в непрерывном динамическом состоянии роста и укорочения посредством обратимой ассоциации и диссоциации гетеродимеров α/β-тубулина на обоих концах. Это динамическое поведение и вытекающий из этого контроль над длиной микротрубочки жизненно важны для правильного функционирования митотического веретена в митозе, т.е. деления клеток.
Микротрубочки участвуют в различных стадиях клеточного цикла . Во время первой стадии или профазы микротрубочки, необходимые для деления клетки, начинают формироваться и расти в направлении новообразованных хромосом, образуя пучок микротрубочек, называемый митотическим веретеном . Во время прометафазы и метафазы это веретено прикрепляется к хромосомам в определенной точке, называемой кинетохором , и проходит несколько периодов роста и укорочения в соответствии с колебаниями хромосом вперед и назад. В анафазе также микротрубочки, прикрепленные к хромосомам, поддерживают тщательно регулируемый процесс укорочения и удлинения. Таким образом, наличие препарата, который может подавлять динамику микротрубочек, достаточно для блокировки клеточного цикла и приводит к гибели клеток путем апоптоза . [5] [10] [11]
Таким образом, ингибиторы тубулина действуют, вмешиваясь в динамику микротрубочек, т. е. в рост ( полимеризацию ) и укорачивание (деполимеризацию). Один класс ингибиторов действует, ингибируя полимеризацию тубулина с образованием микротрубочек, и называется ингибиторами полимеризации, как аналоги колхицина и алкалоиды барвинка . Они уменьшают массу полимера микротрубочек в клетках при высокой концентрации и действуют как агенты, дестабилизирующие микротрубочки. Другой класс ингибиторов действует, ингибируя деполимеризацию полимеризованного тубулина и увеличивает массу полимера микротрубочек в клетках. Они действуют как агенты, стабилизирующие микротрубочки, и называются ингибиторами деполимеризации, как аналоги паклитаксела . [4] Эти три класса препаратов, по-видимому, действуют по несколько иному механизму .
Участок связывания ингибиторов тубулина [12]
Аналоги колхицина блокируют деление клеток, разрушая микротрубочки. Сообщалось, что β-субъединица тубулина участвует в связывании колхицина. Она связывается с растворимым тубулином, образуя комплекс колхицин-тубулин. Этот комплекс вместе с нормальными тубулинами затем подвергается полимеризации, образуя микротрубочки. Однако присутствие этого комплекса TC предотвращает дальнейшую полимеризацию микротрубочек. Этот комплекс вызывает конформационное изменение , которое блокирует дальнейшее добавление димеров тубулина и тем самым предотвращает рост микротрубочек. Поскольку комплекс TC замедляет добавление новых димеров, микротрубочки разбираются из-за структурного дисбаланса или нестабильности во время метафазы митоза. [13]
Алкалоиды барвинка связываются с β-субъединицей димеров тубулина в особой области, называемой доменом связывания барвинка. Они быстро связываются с тубулином, и это связывание обратимо и не зависит от температуры (от 0 °C до 37 °C). В отличие от колхицина, алкалоиды барвинка связываются с микротрубочкой напрямую. Они сначала не образуют комплекс с растворимым тубулином и не сополимеризуются с образованием микротрубочки, однако они способны вызывать конформационные изменения в тубулине в связи с самоассоциацией тубулина. [8] Алкалоиды барвинка связываются с тубулином с высоким сродством на концах микротрубочки, но с низким сродством на участках тубулина, присутствующих вдоль сторон цилиндра микротрубочки. Связывание этих препаратов с участками с высоким сродством приводит к сильному кинетическому подавлению обмена тубулина даже при низкой концентрации препарата, в то время как их связывание с участками с низким сродством при относительно высокой концентрации препарата деполимеризует микротрубочки. [5]
В отличие от колхицина и алкалоидов барвинка, паклитаксел усиливает полимеризацию микротрубочек, способствуя как фазам зародышеобразования , так и фазам удлинения реакции полимеризации , и снижает критическую концентрацию субъединиц тубулина (т. е. концентрацию растворимого тубулина в стационарном состоянии). Микротрубочки, полимеризованные в присутствии паклитаксела, чрезвычайно стабильны. [5] Механизм связывания паклитаксела имитирует механизм нуклеотида ГТФ, но имеет некоторые важные отличия. ГТФ связывается с одним концом димера тубулина, сохраняя контакт со следующим димером вдоль каждого протофиламента, в то время как паклитаксел связывается с одной стороной β-тубулина, сохраняя контакт со следующим протофиламента. ГТФ связывается с несобранными димерами тубулина, тогда как сайты связывания паклитаксела расположены только в собранном тубулине. Гидролиз ГТФ позволяет разбирать и регулировать систему микротрубочек; Однако активация тубулина паклитакселом приводит к постоянной стабилизации микротрубочки. Таким образом, подавление динамики микротрубочек было описано как основная причина ингибирования деления клеток и гибели опухолевых клеток в клетках, обработанных паклитакселом. [14]
Соотношение «структура-активность» (SAR)
SAR колхицина аналогичный
Колхицин является одним из старейших известных антимитотических препаратов, и в последние годы [ когда? ] было проведено много исследований с целью выделения или разработки соединений, имеющих схожую структуру, но высокую активность и меньшую токсичность . Это привело к открытию ряда аналогов колхицина. Структура колхицина состоит из трех колец: триметоксибензольного кольца (кольцо A), метокситропонового кольца (кольцо C) и семичленного кольца (кольцо B) с ацетамидной группой, расположенной в его положении C-7. Триметоксифенильная группа колхицина не только помогает стабилизировать комплекс тубулин-колхицин, но также важна для антитубулиновой активности в сочетании с кольцом C. 3-метоксигруппа увеличила связывающую способность, тогда как 1-метоксигруппа помогла достичь правильной конформации молекулы. Стабильность тропонового кольца и положение метокси и карбонильной группы имеют решающее значение для связывающей способности соединения. 10-метоксигруппа может быть заменена галогеном, алкилом, алкокси или аминогруппами без влияния на связывающую способность тубулина, в то время как объемные заместители снижают активность. Кольцо B при расширении показало сниженную активность, однако считается, что кольцо и его боковая цепь C-7 влияют на конформацию аналогов колхицина, а не на их способность связывать тубулин. Замена в положении C-5 привела к потере активности, тогда как присоединение аннелированных гетероциклических кольцевых систем к кольцу B привело к образованию высокоактивного соединения . [13]
SAR аналога паклитаксела
Паклитаксел добился большого успеха в качестве противоракового препарата, однако предпринимались постоянные усилия по улучшению его эффективности и разработке аналогов, которые были бы более активны и имели бы большую биодоступность и специфичность . Важность боковой цепи фенилизосерина, замещенной C-13, для биоактивности паклитаксела известна уже давно. Было протестировано несколько замен в замещении C-3'. Замена фенильной группы C-3' на алкильные или алкинильные группы значительно увеличила активность, а с группой CF 3 в этом положении в сочетании с модификацией 10-Ac другими ацильными группами активность увеличилась в несколько раз. Было также обнаружено, что другая модификация C-3' с циклопропановыми и эпоксидными фрагментами является сильной. Было обнаружено, что большинство аналогов без кольца A намного менее активны, чем сам паклитаксел. Аналоги с амидной боковой цепью в C-13 менее активны, чем их эфирный аналог. Также дезоксигенация в положении 1 показала сниженную активность. Приготовление 10-α-спироэпоксида и его эфира 7-MOM дало соединения, имеющие сопоставимую цитотоксичность и активность сборки тубулина, как у паклитаксела. Замещение на C-6-α-OH и C-6-β-OH дало аналоги, которые были равносильны паклитакселу в анализе сборки тубулина. Наконец, обнаружено, что оксетановое кольцо играет важную роль во взаимодействии с тубулином. [15]
SAR аналогов винбластина
Винбластин является сильнодействующим препаратом, который также имеет серьезные побочные эффекты, особенно на нервную систему. Поэтому были разработаны новые синтетические аналоги с целью получения более эффективных и менее токсичных препаратов. Стереохимические конфигурации в положениях C-20', C-16' и C-14' в части велбанамина имеют решающее значение, а инверсия приводит к потере активности. Карбоксимильная группа C-16' важна для активности, поскольку декарбоксилированный димер неактивен. Структурная вариация в положениях C-15'- C-20' в кольце велбанамина хорошо переносится. Верхняя скелетная модификация винбластина дала винорелбин, который показывает сравнимую активность с винбластином. Другим полученным аналогом было дифторпроизводное винорелбина, которое показало улучшенную противоопухолевую активность in vivo. Было обнаружено, что фторирование в положении C-19' винорелбина резко увеличило активность in vivo . Большинство исследований SAR включают виндолиновую часть бис-индольных алкалоидов , поскольку модификация в положениях C-16 и C-17 открывает хорошие возможности для разработки новых аналогов. Замена эфирной группы на амидную группу в положении C-16 привела к разработке виндезина. Аналогично замена ацетильной группы в положении C-16 на L-trp-OC 2 H 5 , d-Ala(P)-(OC 2 H 5 ) 2 , L-Ala(P)-(OC 2 H 5 ) 2 и I-Vla(P)-(OC 2 H 5 ) 2 дала начало новым аналогам, обладающим антитубулиновой активностью. Также было обнаружено, что индольная метильная группа виндолина является полезной позицией для потенциальной функционализации и разработки новых, эффективных производных винбластина. Новая серия полусинтетических C-16 -спиро-оксазолидин-1,3-дионов, полученных из 17-деацетил винбластина, показала хорошую антитубулиновую активность и более низкую цитотоксичность. Винглицинат, глицинатный пролекарство, полученное из группы C-17-OH винбластина, показало аналогичную противоопухолевую активность и токсичность, как и винбластин. [16]
Использование в цитогенетике
Цитогенетика , изучение хромосомного материала путем анализа хромосом с G-полосками, широко использует ингибиторы митоза. Чтобы подготовить предметное стекло для цитогенетического исследования, к изучаемым клеткам добавляется ингибитор митоза. Это останавливает клетки во время митоза, в то время как хромосомы все еще видны. После центрифугирования и помещения клеток в гипотонический раствор они набухают, распределяя хромосомы. После подготовки хромосомы клеток можно рассмотреть под микроскопом, чтобы изучить образцы полос хромосом. Этот эксперимент имеет решающее значение для многих форм исследований рака.
Препараты, связывающие тубулин
Молекулы, связывающие тубулин, отличаются от других противораковых препаратов по способу действия, поскольку они нацелены на митотическое веретено, а не на ДНК. Препараты, связывающие тубулин, классифицируются на основе способа действия и места связывания [6] [17] [18] следующим образом:
I. Ингибиторы деполимеризации тубулина
а) Лиганды сайта паклитаксела , включают паклитаксел, эпотилон, доцетаксел, дискодермолид и т. д.
II. Ингибиторы полимеризации тубулина
а) Центр связывания колхицина, включает колхицин, комбрестатин, 2-метоксиэстрадиол, метоксибензолсульфонамиды (E7010) и т. д.
б) Сайт связывания алкалоидов барвинка [19] включает винбластин, винкристин, винорелбин, винфлунин, доластатины, галихондрины, гемиастерлины, криптофизин 52 и т. д.
Винбластин — используется для лечения лейкемии , лимфомы Ходжкина , немелкоклеточного рака легких, рака молочной железы и рака яичек . Он также является компонентом большого количества схем химиотерапии . Винбластин и винкристин были выделены из барвинка мадагаскарского Catharanthus roseus . Мадагаскар традиционно использовал барвинок розовый для лечения диабета. Фактически, он использовался на протяжении столетий во всем мире для лечения всех видов заболеваний, от укусов ос в Индии до глазных инфекций в странах Карибского бассейна. В 1950-х годах исследователи начали анализировать растение и обнаружили, что оно содержит более 70 алкалоидов. Было обнаружено, что некоторые из них влияют на снижение уровня сахара в крови, а другие действуют как кровоостанавливающие средства . Самым интересным было то, что винбластин и винкристин, как было обнаружено, снижают количество лейкоцитов в крови. Большое количество белых клеток в крови указывает на лейкемию, поэтому был открыт новый противораковый препарат. Эти два алкалоида связываются с тубулином, чтобы помешать клетке производить веретена, которые ей нужны для деления. Это отличается от действия таксола, который препятствует делению клеток, не давая веретенам разрушаться. Винбластин в основном полезен для лечения лимфомы Ходжкина , прогрессирующего рака яичек и прогрессирующего рака молочной железы. Винкристин в основном используется для лечения острого лейкоза и других лимфом.
Виндезин — используется для лечения лейкемии, лимфомы, меланомы , рака молочной железы и рака легких. [24]
Винорелбин — используется для лечения рака молочной железы и немелкоклеточного рака легких. [24] Он был разработан под руководством французского фармацевта Пьера Пуатера, который в 1989 году получил первоначальную лицензию на препарат под торговой маркой Навельбин. Винорелбин также известен как винорелбина тартрат, препарат является полусинтетическим аналогом другого противоракового препарата, винбластина. Винорелбин входит в класс фармацевтических препаратов, известных как алкалоиды барвинка, и многие из его характеристик имитируют химию и биологические механизмы цитотоксических препаратов винкристина и винбластина. Винорелбин показал многообещающую активность против рака молочной железы и находится на стадии клинических испытаний для лечения других типов опухолей.
Винфлунин — это новый фторированный алкалоид барвинка, который в настоящее время проходит клинические испытания II фазы и в доклинических исследованиях продемонстрировал превосходящую противоопухолевую активность по сравнению с винорелбином и винбластином. Винфлунин блокирует митоз при переходе метафазы в анафазу, что приводит к апоптозу. [25] Винфлунин — это химиотерапевтический препарат, используемый для лечения прогрессирующего переходно-клеточного рака мочевого пузыря и уротелиального тракта. Его также называют Javlor. Он лицензирован для людей, которые уже прошли химиотерапию цисплатином или карбоплатином.
Колхицин
Колхицин — алкалоид, полученный из безвременника осеннего ( Colchicum autumnale ). Он подавляет митоз, подавляя полимеризацию микротрубочек. Хотя колхицин не используется для лечения рака у людей, его обычно используют для лечения острых приступов подагры . [26]
Колхицин — противовоспалительное средство, которое непрерывно используется уже более 3000 лет. Колхицин — пероральный препарат, который, как известно, используется для лечения острой подагры и профилактики острых приступов семейной средиземноморской лихорадки (ССЛ). Однако использование колхицина ограничено его высокой токсичностью в других методах лечения. Известно, что колхицин подавляет деление и пролиферацию клеток. Ранние исследования показали, что колхицин разрушает митотическое веретено. Впоследствии было показано, что растворение микротрубочек отвечает за действие колхицина на митотическое веретено и клеточную пролиферацию. [27]
Подофиллотоксин
Подофиллотоксин, полученный из растения майской яблони , используется для лечения вирусных инфекций кожи, а синтетические аналоги этой молекулы применяются для лечения некоторых видов рака.
Глазиовианин А обычно выделяют из листьев бразильского дерева Ateleia glazioviana Baill. [28]
Криптофицин 52 был выделен из сине-зеленых водорослей Nostoc sp. GSV 224. Криптофицины представляют собой семейство родственных депсипептидов , демонстрирующих высокоэффективную цитотоксическую активность. Криптофицин 52 изначально был разработан как фунгицид, но оказался слишком токсичным для клинического использования. Позднее исследования были сосредоточены на лечении криптофицина как яда микротрубочек, предотвращающего образование митотического веретена. [12] Криптофицин 52 показал высокоэффективную антимитотическую активность, чтобы противостоять динамике микротрубочек веретена. [6] Кроме того, интерес к этому препарату еще больше возрос в связи с открытием того, что криптофицин демонстрирует пониженную восприимчивость к насосу множественной лекарственной устойчивости и не демонстрирует снижения активности в ряде линий клеток, устойчивых к лекарственным средствам.
Галихондрин B был впервые выделен из Halichondria okadai , а затем из неродственных губок Axinella carteri и Phankella carteri . Галихондрин B представляет собой сложный полиэфирный макролид, который синтезируется и останавливает рост клеток при субнаномолярных концентрациях. [6] Галихондрин B является неконкурентным ингибитором связывания как винкристина, так и винбластина с тубулином, что позволяет предположить, что препараты связываются с сайтом связывания барвинка или сайтом поблизости. Выделение галихондрина B из двух неродственных родов губок привело к предположению, что галихондрин B на самом деле является микробным, а не метаболитом губки, поскольку губки поддерживают широкий спектр микробов. Если это так, технологии ферментации могли бы обеспечить полезный запас галихондрина B.
Доластатины были выделены из морского зайца Dolabella auricularia , небольшого морского моллюска , и, как полагают, были источником яда, использованного для убийства сына императора Клавдия Римского в 55 г. н. э. Доластатины 10 и 15 являются новыми пентапептидами и проявляют мощные антимитотические свойства. Они цитотоксичны в ряде клеточных линий в субнаномолярных концентрациях. Пептиды доластатинов 10 и 15 неконкурентно ингибируют связывание винкристина с тубулином. Доластатин 10 в 9 раз более эффективен, чем доластатин 15, и оба они более эффективны, чем винбластин. [6] Доластатины также усиливают и стабилизируют связывание колхицина с тубулином.
Гемиастерлины были выделены из морской губки Cymbastela sp . Гемиастерлины представляют собой семейство мощных цитотоксических пептидов. Гемиастерлин A и гемиастерлин B проявляют мощную активность против линии клеток P388 и ингибируют деление клеток, связываясь с сайтом алкалоида барвинка на тубулине. Гемиастерлин A и B проявляют более сильную антипролиферативную активность, чем алкалоиды барвинка и паклитаксел.
Комбретастатин выделяют из южноафриканской ивы, Combretum afrum . Комбретастатин — одно из самых простых соединений, проявляющих антимитотический эффект при взаимодействии с участком связывания колхицина тубулина, а также один из самых мощных ингибиторов связывания колхицина. [6] Комбретастатин не распознается насосом множественной лекарственной устойчивости (MDR), клеточным насосом, который быстро выталкивает чужеродные молекулы из клетки. [10] Также сообщается, что комбретастатин способен ингибировать ангиогенез — процесс, необходимый для роста опухоли. Помимо этих факторов, одним из недостатков комбретастатина является низкая растворимость в воде.
E7010 является наиболее активным из сульфонамидных антимитотических агентов, который, как было показано, ингибирует образование микротрубочек путем связывания в месте колхицинов. [6] [10] Он хорошо растворяется в воде в виде кислой соли. Метоксибензолсульфонамид показал хорошие результаты против широкого спектра опухолевых клеток, включая солидные опухоли, устойчивые к алкалоидам барвинка. Результаты исследований на животных показали активность против тканей колоректального, молочной и легкого рака.
2-метоксиэстрадиол является естественным метаболитом гормона млекопитающих эстрадиола и образуется путем окисления в печени. 2-метоксиэстрадиол цитотоксичен для нескольких линий опухолевых клеток, связывается с колхициновым участком тубулина, вызывая образование аномальных микротрубочек. 2-метоксиэстрадиол проявляет мощную апоптотическую активность против быстрорастущих опухолевых клеток. Он также обладает антиангиогенной активностью посредством прямого апоптотического эффекта на эндотелиальные клетки. [29]
Доцетаксел — полусинтетический аналог паклитаксела с торговым названием Таксотер. Доцетаксел имеет минимальные структурные изменения в боковой цепи C13, а замещение C10 показало большую растворимость в воде и большую активность, чем паклитаксел. Клинические испытания показали, что пациенты, у которых развивается гиперчувствительность к паклитакселу, могут получать доцетаксел без аллергической реакции. [6]
Паклитаксел был выделен из коры тихоокеанского тиса Taxus brevifolia Nutt. (Taxaceae). Позже он был также выделен из деревьев фундука (листья, ветки и орехи) и грибов, живущих на этих деревьях, но концентрация составляет всего около 10% от концентрации в тисовых деревьях. Паклитаксел также известен как Таксол и Онксол как противораковый препарат. Препарат является первой линией лечения рака яичников, молочной железы, легких и толстой кишки и второй линией лечения саркомы Капоши, связанной со СПИДом . (Саркома Капоши - это рак кожи и слизистых оболочек, который обычно встречается у пациентов с синдромом приобретенного иммунодефицита, СПИДом). Он настолько эффективен, что некоторые онкологи называют период до 1994 года «дотаксоловой» эрой лечения рака молочной железы. [30]
Эпотилоны получены из ферментирующих почвенных бактерий Sorangium cellulosum , и было обнаружено, что они слишком токсичны для использования в качестве противогрибкового средства. Эпотилоны являются стабилизирующими микротрубочки агентами с механизмом действия, аналогичным таксанам, включая подавление динамики микротрубочек, стабилизацию микротрубочек, содействие полимеризации тубулина и увеличение полимерной массы при высоких концентрациях. Они вызывают остановку митоза в фазе G2-M клеточного цикла, что приводит к апоптозу. [5] Эпотилон А и эпотилон В проявляют как противогрибковые, так и цитотоксические свойства. Эти эпотилоны являются конкурентными ингибиторами связывания паклитаксела с тубулином, проявляя активность при схожих концентрациях. Это открытие позволяет предположить, что эпотилоны и паклитаксел принимают схожие конформации in vivo. Однако эпотилоны примерно в 30 раз более водорастворимы, чем паклитаксел, и более доступны, их легко получить путем ферментации родительской миксобактерии и можно приготовить путем полного синтеза. Эпотилоны также не распознаются механизмами множественной лекарственной устойчивости, поэтому они обладают гораздо большей эффективностью, чем паклитаксел, в клеточных линиях с множественной лекарственной устойчивостью. [10]
Первоначально было обнаружено, что дискодермолид обладает иммуносупрессивной и противогрибковой активностью. Дискодермолид — это полигидроксилированный алкететраенлактоновый морской продукт, выделенный из багамской глубоководной губки Discodermia dissoluta , ингибирующий митоз клеток и индуцирующий образование стабильного полимера тубулина in vitro и считающийся более эффективным, чем паклитаксел, со значением EC50 3,0 мкМ по сравнению с 23 мкМ. [6] Препарат, макролид (полигидроксилированный лактон), является членом структурно разнообразного класса соединений, называемых поликетидами, с заметным химическим механизмом действия. Он стабилизирует микротрубочки целевых клеток, по сути останавливая их на определенной стадии клеточного цикла и останавливая деление клеток. Это многообещающий кандидат морского происхождения для лечения некоторых видов рака.
Ограничения
Побочные эффекты
Периферическая нейропатия, вызванная химиотерапией , прогрессирующее, стойкое, часто необратимое покалывание, онемение, сильная боль и повышенная чувствительность к холоду, начинающаяся с рук и ног, а иногда затрагивающая руки и ноги. [31]
реакции гиперчувствительности – приливы, локализованные кожные реакции, сыпь (с зудом или без него), чувство стеснения в груди, боль в спине, одышка, лекарственная лихорадка или озноб
Ограничения в противораковой терапии возникают в основном по двум причинам: из-за организма пациента или из-за специфических генетических изменений в опухолевых клетках. Со стороны пациента терапия ограничивается плохой абсорбцией препарата, что может привести к низкой концентрации активного вещества в крови и малому количеству, доставляемому к опухоли. Низкий уровень препарата в сыворотке может быть также вызван быстрым метаболизмом и выведением, связанным со сродством к кишечному или/и печеночному цитохрому P450 . Другой причиной является нестабильность и деградация препаратов в желудочно-кишечной среде. Серьезной проблемой также является вариабельность между пациентами, что приводит к разной биодоступности после введения равной дозы препарата и разной переносимости эффекта химиотерапевтических препаратов. Вторая проблема особенно важна при лечении пожилых людей. Их организм слабее и нуждается в применении более низких доз, часто ниже терапевтического уровня. Еще одной проблемой с противораковыми препаратами является их ограниченная растворимость в воде, что существенно снижает абсорбцию препарата. Проблемы с доставкой лекарственных средств в опухоль возникают также в тех случаях, когда активный агент имеет высокую молекулярную массу, что ограничивает проникновение в ткани, или опухоль имеет большой объем, препятствующий проникновению. [4] [33]
Устойчивость к лекарственным препаратам
Множественная лекарственная устойчивость является наиболее важным ограничением в противораковой терапии. Она может развиваться во многих химически различных соединениях. До сих пор известно несколько механизмов развития устойчивости. Наиболее распространенным является производство так называемых «эффлюксных насосов». Насосы удаляют лекарства из опухолевых клеток, что приводит к низкой концентрации лекарства в мишени, ниже терапевтического уровня. Эффлюкс вызывается P-гликопротеином , называемым также мультилекарственным транспортером. Этот белок является продуктом гена мультилекарственной устойчивости MDR1 и членом семейства АТФ-зависимых транспортеров ( АТФ-связывающей кассеты ). P-гликопротеин встречается в каждом организме и служит для защиты организма от ксенобиотиков , а также участвует в перемещении питательных веществ и других биологически важных соединений внутри одной клетки или между клетками. P-гликопротеин обнаруживает субстраты, когда они попадают в плазматическую мембрану, и связывает их, что вызывает активацию одного из АТФ-связывающих доменов. Следующий шаг — гидролиз АТФ, который приводит к изменению формы P-gp и открывает канал, через который лекарство выкачивается из клетки. Гидролиз второй молекулы АТФ приводит к закрытию канала, и цикл повторяется. P-гликопротеин имеет сродство к гидрофобным лекарствам с положительным зарядом или электрически нейтральным и часто сверхэкспрессируется во многих видах рака у человека. Некоторые опухоли, например рак легких, не сверхэкспрессируют этот транспортер, но также способны развивать резистентность. Было обнаружено, что другой транспортер MRP1 также работает как эффлюксный насос, но в этом случае субстратами являются отрицательно заряженные природные соединения или лекарства, модифицированные глутатионом, конъюгацией, гликозилированием, сульфатированием и глюкуронилированием. Лекарства могут проникать в клетку несколькими способами. Основные пути: диффузия через плазматическую мембрану, через рецептор или транспортер или посредством процесса эндоцитоза . Рак может развить устойчивость к мутациям в своих клетках, что приводит к изменениям на поверхности клеток или к нарушению эндоцитоза. Мутация может устранить или изменить транспортеры или рецепторы, что позволяет препаратам проникать в опухолевую клетку. Другой причиной устойчивости к препаратам является мутация в β-тубулине, которая вызывает изменения в сайтах связывания, и данное лекарство не может быть связано со своей целью. Опухоли также изменяют экспрессию изоформ тубулина для тех, которые не являются мишенями для антимитотических препаратов, например, сверхэкспрессируют βIII-тубулин. Кроме того, опухолевые клетки экспрессируют другие виды белков и изменяют динамику микротрубочек, чтобы противодействовать эффекту противораковых препаратов. Устойчивость к препаратам также может развиться из-за перерыва в терапии. [4] [7] [8] [33]
Другие
Незначительная клиническая эффективность – часто соединения проявляют активность in vitro , но не обладают противоопухолевой активностью в клинике. [34]
Плохая растворимость в воде лекарств, которые необходимо растворять в полиоксиэтилированном касторовом масле или полисорбате, что вызывает реакции гиперчувствительности. Было высказано предположение, что эти растворители также могут снижать доставку лекарств к целевым клеткам. [12] [35]
Биодоступность [36]
Предельная доза – более высокие дозы вызывают высокую токсичность, а длительное применение приводит к кумулятивной нейротоксичности и кроветворной токсичности. [12]
Нейропатия, которая является существенным побочным эффектом, может развиться в любой момент терапии и потребовать прерывания лечения. После исчезновения симптомов терапию можно начать снова, но перерыв позволяет опухоли развить резистентность. [20]
Первым известным соединением, связывающимся с тубулином, был колхицин, он был выделен из безвременника осеннего , Colchicum autumnale , но он не использовался для лечения рака. Первыми противораковыми препаратами, одобренными для клинического использования, были алкалоиды барвинка, винбластин и винкристин в 1960-х годах.
Они были выделены из экстрактов листьев растения Catharanthus roseus ( Vinca rosea ) в Университете Западного Онтарио в 1958 году. [5] Первый препарат, относящийся к таксанам и паклитакселу , был обнаружен в экстрактах из коры тиса Taxus brevifolia в 1967 году Монро Уоллом и Мансухом Вани, но его активность в ингибировании тубулина не была известна до 1979 года.
Тисовые деревья являются плохим источником активных веществ, что ограничивало разработку таксанов более 20 лет, пока не был открыт способ синтеза. [5] В декабре 1992 года паклитаксел был одобрен для использования в химиотерапии. [37]
Будущая разработка лекарств
Из-за многочисленных побочных эффектов и ограничений в использовании, необходимы новые препараты с лучшими свойствами. Особенно желательны улучшения в противоопухолевой активности, профиле токсичности, лекарственной формуле и фармакологии. [35]
В настоящее время предложено несколько подходов к разработке новых терапевтических агентов с лучшими свойствами
Открытие агентов, которые не являются субстратом для эффлюксного насоса или модификации лекарств в сторону более низкого сродства к транспортным белкам. Открытие ингибиторов P-гликопротеина с более высоким сродством к транспортеру, чем лекарства, является следующим подходом. Для улучшения пероральной биодоступности предлагается совместное введение ингибиторов P-gp и цитохрома с противораковыми препаратами. [20] [35]
Разработка ингибиторов, имеющих свой сайт связывания в α-тубулине. Эта часть димера тубулина остается неиспользованной, поскольку все используемые в настоящее время препараты связываются с β-тубулином. Исследования в этой области могут открыть новые возможности в лечении и предоставить новый класс ингибиторов.
Одной из целей противораковых препаратов может быть сосудистая сеть опухоли. Преимуществом в этом случае является относительно легкий доступ терапевтических агентов к цели. Известно, что некоторые соединения могут подавлять образование новых кровеносных сосудов (подавлять процесс ангиогенеза ) или закрывать существующие. Опухолевые клетки очень быстро погибают после прекращения подачи кислорода, что предполагает, что эти агенты особенно интересны. Более того, похоже, что агенты действуют только на сосудистую сеть опухоли и не взаимодействуют с нормальными тканями. Механизмы неизвестны, но было высказано предположение, что причиной являются различия между молодой тканью опухоли и зрелой тканью нормальной сосудистой сети. Противососудистые агенты похожи на колхицин и связываются с сайтом связывания колхицина на β-тубулине, поэтому разработка новых агентов, действующих с сайтом связывания колхицина (который не используется ни одним из одобренных в настоящее время препаратов), кажется многообещающим подходом. [5]
Терапия с использованием комбинации двух или более препаратов, которые имеют различные места связывания и/или разный механизм действия, но не имеют перекрывающихся побочных эффектов. Это позволило бы использовать препараты в низкой концентрации, что снижает силу побочных эффектов, связанных с высокими дозами противораковых препаратов. Лучшая эффективность может быть также результатом поддержания низких концентраций препаратов в течение длительного периода вместо резких изменений в количестве вводимых препаратов. [8] [12]
Липосомы и полимерно-связанные препараты представляют собой многообещающие усовершенствования в системе доставки. Липосомы позволяют доставлять значительные количества лекарственных средств к опухоли без токсического эффекта в нормальных тканях и медленно высвобождать лекарственные средства, что приводит к продлению фармацевтического действия. Аналогичные свойства имеют препараты, связанные с полимером. Кроме того, использование водорастворимых полимеров позволяет гидрофильным противораковым препаратам становиться растворимыми. Природа связи полимер-лекарство может быть разработана таким образом, чтобы быть стабильной в нормальных тканях и разрушаться в опухолевой среде, которая является более кислой. Такой подход позволяет высвобождать активный агент точно в мишень. [36]
Открыть новые соединения, активные против устойчивых к лекарствам видов рака, механизм действия которых отличается от механизма действия уже известных лекарств.
Выяснение всех механизмов резистентности и разработка лекарств, которые ее избегают. [12]
Смотрите также
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Митотические ингибиторы» .
^ ab "Каковы различные типы химиотерапевтических препаратов?". Американское онкологическое общество. Архивировано из оригинала 17 июля 2007 г. Получено 5 августа 2007 г.
^ "Определение митотического ингибитора". Национальный институт рака. Архивировано из оригинала 13 августа 2024 года . Получено 5 августа 2007 года .
^ "Варианты лечения: ингибиторы митоза". Drug Digest. Архивировано из оригинала 16 февраля 2007 г. Получено 5 августа 2007 г.
^ abcdef Перес, EA (2009). «Ингибиторы микротрубочек: дифференциация агентов, ингибирующих тубулин, на основе механизмов действия, клинической активности и резистентности». Molecular Cancer Therapeutics . 8 (8): 2086–95. doi : 10.1158/1535-7163.MCT-09-0366 . PMID 19671735.
^ abcdefgh Jordan, M. (2012). «Механизм действия противоопухолевых препаратов, взаимодействующих с микротрубочками и тубулином». Current Medicinal Chemistry. Противораковые агенты . 2 (1): 1–17. doi :10.2174/1568011023354290. PMID 12678749.
^ abcdefghij Ислам, Мохд.; Искандер, Магди (2004). «Сайты связывания микротубулина как мишень для разработки противораковых агентов». Мини-обзоры по медицинской химии . 4 (10): 1077–104. doi :10.2174/1389557043402946. PMID 15579115.
^ abcd Пеллегрини, Федерико; Будман, Дэниел Р. (2005). «Обзор: функция тубулина, действие антитубулиновых препаратов и разработка новых препаратов». Cancer Investigation . 23 (3): 264–73. doi :10.1081/CNV-200055970. PMID 15948296. S2CID 45866448.
^ abcdef Джордан, Мэри Энн; Уилсон, Лесли (2004). «Микротрубочки как мишень для противораковых препаратов». Nature Reviews Cancer . 4 (4): 253–65. doi :10.1038/nrc1317. PMID 15057285. S2CID 10228718.
^ ТитоФойо, Роль микротрубочек в клеточной биологии, нейробиологии и онкологии, Humana Press. [ нужна страница ]
^ abcd Jordan, Allan; Hadfield, John A.; Lawrence, Nicholas J.; McGown, Alan T. (1998). «Тубулин как мишень для противораковых препаратов: агенты, взаимодействующие с митотическим веретеном». Medicinal Research Reviews . 18 (4): 259–96. doi :10.1002/(SICI)1098-1128(199807)18:4<259::AID-MED3>3.0.CO;2-U. PMID 9664292. S2CID 32194348.
^ Bhalla, Kapil N (2003). «Противораковые агенты, нацеленные на микротрубочки, и апоптоз». Oncogene . 22 (56): 9075–86. doi : 10.1038/sj.onc.1207233 . PMID 14663486.
^ abcdef Моррис, PG; Форниер, MN (2008). «Активные агенты микротрубочек: за пределами границ таксана». Клинические исследования рака . 14 (22): 7167–72. doi : 10.1158/1078-0432.CCR-08-0169 . PMID 19010832.
^ ab Chen, Jing; Liu, Tao; Dong, Xiaowu; Hu, Yongzhou (2009). «Недавние разработки и анализ SAR ингибиторов участков связывания колхицина». Мини-обзоры по медицинской химии . 9 (10): 1174–90. doi :10.2174/138955709789055234. PMID 19817710.
^ Абал, М.; Андреу, Дж.; Барасоайн, И. (2003). «Таксаны: мишени микротрубочек и центросом и механизмы действия, зависящие от клеточного цикла». Current Cancer Drug Targets . 3 (3): 193–203. doi :10.2174/1568009033481967. PMID 12769688.
^ Fang, W.-; Liang, X.- (2005). "Последние достижения в изучении взаимосвязи структуры и активности и механистических исследований аналогов таксола". Мини-обзоры по медицинской химии . 5 (1): 1–12. doi :10.2174/1389557053402837. PMID 15638787.
^ Лисинь Чжан, Арнольд Л. Демейн (2005), Натуральные продукты: открытие лекарств и терапевтическая медицина. Натуральные продукты: открытие лекарств и терапевтическая медицина Архивировано 30 октября 2023 г. на Wayback Machine [ нужна страница ]
^ Хамель, Эрнест (1996). «Антимитотические натуральные продукты и их взаимодействие с тубулином». Обзоры медицинских исследований . 16 (2): 207–31. doi :10.1002/(SICI)1098-1128(199603)16:2<207::AID-MED4>3.0.CO;2-4. PMID 8656780. S2CID 647015. Архивировано из оригинала 22 августа 2020 г. Получено 21 января 2024 г.
^ Кингстон, Дэвид GI (2009). «Взаимодействующие с тубулином натуральные продукты как противораковые агенты (1)». Журнал натуральных продуктов . 72 (3): 507–15. doi :10.1021/np800568j. PMC 2765517. PMID 19125622.
^ Крэгг, Гордон М.; Ньюман, Дэвид Дж. (2004). «История двух опухолевых целей: топоизомераза I и тубулин. Вклад Уолла и Вани в химиотерапию рака†». Журнал натуральных продуктов . 67 (2): 232–44. doi :10.1021/np030420c. PMID 14987065.
^ abcd Куппенс, Иса (2006). «Современное состояние новых ингибиторов тубулина в клинике». Current Clinical Pharmacology . 1 (1): 57–70. doi :10.2174/157488406775268200. PMID 18666378.
^ Saville, MW; Lietzau, J.; Pluda, JM; Wilson, WH; Humphrey, RW; Feigel, E.; Steinberg, SM; Broder, S.; Yarchoan, R.; Odom, J.; Feuerstein, I. (1995). «Лечение саркомы Капоши, связанной с ВИЧ, паклитакселом». Lancet . 346 (8966): 26–28. doi :10.1016/S0140-6736(95)92654-2. PMID 7603142. Архивировано из оригинала 26 июня 2019 г. . Получено 5 июля 2019 г. .
^ Lyseng-Williamson, KA; Fenton, C. (2005). «Доцетаксел: обзор его использования при метастатическом раке молочной железы». Drugs . 65 (17): 2513–2531. doi :10.2165/00003495-200565170-00007. PMID 16296875.
^ Кларк, С. Дж.; Ривори, Л. П. (1999). «Клиническая фармакокинетика доцетаксела». Клиническая фармакокинетика . 36 (2): 99–114. doi :10.2165/00003088-199936020-00002. PMID 10092957.
^ abc "Винкристин (Онковин)". Архивировано из оригинала 29 июня 2007 г. Получено 5 августа 2007 г.
^ Окунева, Татьяна; Хилл, Бриджит Т.; Уилсон, Лесли; Джордан, Мэри Энн (2003). «Влияние винфлунина, винорелбина и винбластина на динамику центромеры». Molecular Cancer Therapeutics . 2 (5): 427–36. PMID 12748304. Архивировано из оригинала 13 августа 2024 г. Получено 21 января 2024 г.
^ Lu Y, Chen J, Xiao M, Li W, Miller DD (ноябрь 2012 г.). «Обзор ингибиторов тубулина, взаимодействующих с сайтом связывания колхицина». Pharm Res . 29 (11): 2943–71. doi :10.1007/s11095-012-0828-z. PMC 3667160. PMID 22814904 .
^ Molad, Yair (2002). «Обновление о колхицине и механизме его действия». Current Rheumatology Reports . 4 (3): 252–6. doi :10.1007/s11926-002-0073-2. PMID 12010611. S2CID 4507579.
↑ Автор, сотрудники GEN (29 июня 2016 г.). «Борьба с раком с помощью щепотки петрушки и укропа». GEN – Новости генной инженерии и биотехнологии . Получено 26 октября 2023 г.
^ Lakhani, Nehal J.; Sarkar, Mohamadi A.; Venitz, Jurgen; Figg, William D. (2003). «2-Methoxyestradiol, a Promising Anticancer Agent». Pharmacotherapy . 23 (2): 165–72. doi :10.1592/phco.23.2.165.32088. PMID 12587805. S2CID 1541302. Архивировано из оригинала 25 июня 2023 г. Получено 21 января 2024 г.
^ del Pino BM (23 февраля 2010 г.). «Периферическая нейропатия, вызванная химиотерапией». NCI Cancer Bulletin . стр. 6. Архивировано из оригинала 11 декабря 2011 г.
^ ab Gottesman, Michael M. (2002). «Механизмы устойчивости к лекарственным препаратам рака». Annual Review of Medicine . 53 : 615–27. doi : 10.1146/annurev.med.53.082901.103929. PMID 11818492. Архивировано из оригинала 13 августа 2024 г. Получено 21 января 2024 г.
^ Иващенко, Александр; Киселев, Алекс; Ткаченко, Сергей; Иваненков, Ян; Балакин, Константин (2007). «Новые митотические мишени и их ингибиторы малых молекул». Current Cancer Drug Targets . 7 (8): 766–84. doi :10.2174/156800907783220499. PMID 18220536.
^ abc Аттард, Герхардт; Грейсток, Аластер; Кей, Стэн; Де Боно, Йоханн (2006). «Обновление о тубулин-связывающих агентах». Pathologie Biologie . 54 (2): 72–84. doi :10.1016/j.patbio.2005.03.003. PMID 16545633.
^ ab Terwogt, Jetske M.Meerum; Schellens, Jan HM; Huinink, Wim W.ten Bokkel; Beijnen, Jos H. (1999). «Клиническая фармакология противораковых препаратов в отношении формул и путей введения». Cancer Treatment Reviews . 25 (2): 83–101. doi :10.1053/ctrv.1998.0107. PMID 10395834.
^ Гордализа, М. (2008). «Натуральные продукты как пути к противораковым препаратам». Клиническая и трансляционная онкология . 9 (12): 767–76. doi :10.1007/s12094-007-0138-9. PMID 18158980. S2CID 19282719.
