Открытие и разработка ингибиторов тубулина - Discovery and development of tubulin inhibitors

Ингибиторы тубулина находятся химиотерапия препараты, которые напрямую влияют на тубулин система, которая в отличие от эти химиотерапевтические препараты действующий на ДНК. Микротрубочки играть важную роль в эукариотические клетки. Альфа- и бета-тубулин, основные компоненты микротрубочек, вызвали значительный интерес из-за их функции и биофизических свойств и стали предметом интенсивных исследований. Добавление лигандов тубулина может повлиять на стабильность и функцию микротрубочек, включая: митоз, движение клеток и внутриклеточные органелла транспорт. Связывающие тубулин молекулы вызвали значительный интерес после введения таксаны в клиническую онкология и общее использование алкалоиды барвинка. Эти соединения ингибируют митоз клеток за счет связывания с белком тубулином в митотическое веретено и предотвращение полимеризация или же деполимеризация в микротрубочки. Этот способ действия также характерен для другого природного агента, называемого колхицин.

История

Первым известным соединением, связывающимся с тубулином, был колхицин, он был выделен с осени. крокус, Колхикум осенний, но он не использовался для лечения рака. Первыми противоопухолевыми препаратами, одобренными для клинического применения, были алкалоиды барвинка, винбластин и винкристин в 1960-е гг. Их выделяли из экстрактов листьев растения. Катарантус розовый (Винча розовая) в Университете Западного Онтарио в 1958 году.[1] Первые препараты относятся к таксаны и паклитаксел, обнаруженный в экстрактах коры тиса, Taxus brevifolia, в 1967 году Монро Уолл и Мансух Вани, но его активность по ингибированию тубулина не была известна до 1979 года. Тисовые деревья являются плохим источником активных агентов, которые ограничивали развитие таксанов более 20 лет, пока не был открыт способ синтеза.[1] В декабре 1992 г. паклитаксел был одобрен для использования в химиотерапии.[2]

Тубулин и система микротрубочек

Функция

Формирование микротрубочек

Микротрубочки - ключевые компоненты цитоскелет эукариотических клеток и играют важную роль в различных клеточных функциях, таких как внутриклеточная миграция и транспорт, поддержание формы клетки, полярность, клеточная сигнализация и митоз.[3] Они играют решающую роль в деление клеток путем вовлечения в движение и прикрепления хромосомы на разных стадиях митоза. Следовательно, динамика микротрубочек является важной мишенью для развивающихся противораковые препараты.[1]

Структура

Микротрубочки состоят из двух глобулярный белок субъединицы, α- и β-тубулин. Эти две субъединицы объединяются, образуя α, β-гетеродимер который затем собирается в нитчатый трубчатая конструкция. 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 основу полой цилиндрической микротрубочки, диаметр которой составляет около 25 нанометров, а длина варьируется от 200 нанометров до 25 микрометров. Около 12–13 протофиламентов располагаются параллельно, образуя С-образный белковый лист, который затем скручивается, образуя трубчатую структуру, называемую микротрубочкой. Расположение гетеродимеров голова к хвосту дает полярность в образовавшуюся микротрубочку, которая имеет α-субъединицу на одном конце и β-субъединицу на другом конце. Конец α-тубулина имеет отрицательные (-) заряды, а конец β-тубулина имеет положительные (+) заряды.[3] Микротрубочка растет из дискретных участков сборки в клетках, называемых Центры организации микротрубочек (MTOC), которые представляют собой сеть белков, связанных с микротрубочками (MAP).[4][5]

Две молекулы энергии, богатые гуанозинтрифосфат (GTP) также являются важными компонентами структуры микротрубочек. Одна молекула GTP прочно связана с α-тубулином и не подлежит обмену, тогда как другая молекула GTP связана с β-тубулином и может легко заменяться гуанозиндифосфат (ВВП). Стабильность микротрубочек будет зависеть от того, занят ли β-конец GTP или GDP. Микротрубочка, имеющая молекулу GTP на β-конце, будет стабильной и продолжит рост, тогда как микротрубочка, имеющая молекулу GDP на β-конце, будет нестабильной и будет быстро деполимеризоваться.[4][5]

Динамика микротрубочек

Микротрубочки не статический но они очень динамичный полимеры и демонстрируют два типа динамического поведения: 'динамическая нестабильность ' и 'беговая дорожка '. Динамическая нестабильность - это процесс, при котором концы микротрубочек переключаются между периодами роста и сокращения. Эти два конца не равны, конец с кольцом α-тубулина (-) менее динамичен, в то время как более динамичный конец с кольцом β-тубулина (+) растет и укорачивается быстрее. Микротрубочка претерпевает длительные периоды медленного удлинения, короткие периоды быстрого укорачивания, а также паузу, в которой нет ни роста, ни укорочения.[3][5][6]Динамическая нестабильность характеризуется четырьмя переменными: скоростью роста микротрубочек; скорость укорачивания; частота перехода от состояния роста или приостановки к сокращению (называется 'катастрофа ') и частота перехода от укорочения к росту или паузе (так называемая'спасать '). Другое динамическое поведение, называемое беговой дорожкой, - это чистый рост микротрубочки на одном конце и чистое сокращение на другом конце. Он включает в себя внутренний поток субъединиц тубулина от положительного конца к отрицательному. Оба динамических поведения важны, и конкретная микротрубочка может демонстрировать в первую очередь динамическую нестабильность, беговую дорожку или их сочетание.[6][7]

Механизм действия

Агенты, которые действуют как ингибиторы тубулина, также действуют как ингибиторы клеточного деления. Микротрубочка существует в непрерывном динамическом состоянии роста и укорачивания за счет обратимой ассоциации и диссоциация гетеродимеров α / β-тубулина на обоих концах. Это динамическое поведение и, как следствие, контроль длины микротрубочек жизненно важны для правильного функционирования митотического веретена в митозе, то есть делении клеток.

Микротрубочка участвует на разных стадиях клеточный цикл. На первом этапе или профаза, микротрубочки, необходимые для деления клеток, начинают формироваться и расти к вновь образованным хромосомам, образуя пучок микротрубочек, называемый митотическое веретено. В течение прометафаза и метафаза это веретено прикрепляется к хромосомам в определенной точке, называемой кинетохора и претерпевает несколько периодов роста и сокращения в настройке с возвратно-поступательными колебаниями хромосом. В анафаза Кроме того, микротрубочки, прикрепленные к хромосомам, поддерживают тщательно регулируемый процесс укорачивания и удлинения. Таким образом, присутствие лекарственного средства, которое может подавлять динамику микротрубочек, достаточно для блокирования клеточного цикла и приводит к гибели клеток из-за апоптоз.[1][8][9]

Таким образом, ингибиторы тубулина действуют, вмешиваясь в динамику микротрубочек, т.е.полимеризация ) и шортенинг (деполимеризация). Один класс ингибиторов действует путем ингибирования полимеризации тубулина с образованием микротрубочек и называется ингибиторами полимеризации, такими 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 путем ингибирования деполимеризации полимеризованного тубулина и увеличивает массу полимера микротрубочек в клетках. Они действуют как агенты, стабилизирующие микротрубочки, и называются ингибиторами деполимеризации, такими как паклитаксел аналоги.[3] Эти три класса лекарств, кажется, действуют немного по-разному. механизм.

Сайт связывания ингибиторов тубулина[10]

Аналоги колхицина блокируют деление клеток, разрушая микротрубочки. Сообщалось, что β-субъединица тубулина участвует в связывании колхицина. Он связывается с растворимым тубулином с образованием комплекса колхицин-тубулин. Этот комплекс вместе с нормальными тубулинами затем подвергается полимеризации с образованием микротрубочек. Однако присутствие этого комплекса Т-С предотвращает дальнейшую полимеризацию микротрубочек. Этот комплекс вызывает конформационное изменение который блокирует дальнейшее добавление димеров тубулина и тем самым предотвращает рост микротрубочек. Поскольку комплекс T-C замедляет добавление новых димеров, микротрубочка распадается из-за структурного дисбаланса или нестабильность во время метафазы митоза.[11]

Алкалоиды барвинка связываются с β-субъединицей димеров тубулина в отдельной области, называемой связывающим доменом барвинка. Они быстро связываются с тубулином, и это связывание является обратимым и не зависит от температуры (от 0 ° C до 37 ° C). В отличие от колхицина, алкалоиды барвинка напрямую связываются с микротрубочками. Они сначала не образуют комплекс с растворимым тубулином и не сополимеризуются с образованием микротрубочек, однако они способны вызывать конформационные изменения тубулина в связи с самоассоциацией тубулина.[6] Алкалоиды барвинка связываются с тубулином с высоким сродством на концах микротрубочек, но с низким сродством к участкам тубулина, расположенным вдоль сторон цилиндра микротрубочек. Связывание этих лекарств в сайтах с высоким сродством приводит к сильному кинетическому подавлению обмена тубулина даже при низкой концентрации лекарства, в то время как их связывание с сайтами с низким сродством в относительно высоких концентрациях лекарства деполимеризует микротрубочки.[1]

В отличие от колхицина и алкалоидов барвинка, паклитаксел усиливает полимеризацию микротрубочек, способствуя как зарождение и фазы удлинения реакция полимеризации, и это снижает критическую концентрацию субъединицы тубулина (т. е. концентрацию растворимого тубулина в равновесном состоянии). Микротрубочки, полимеризованные в присутствии паклитаксела, чрезвычайно стабильны.[1] Механизм связывания паклитаксела имитировать нуклеотида GTP наряду с некоторыми важными отличиями. GTP связывается на одном конце димера тубулина, поддерживая контакт со следующим димером вдоль каждого протофиламента, в то время как паклитаксел связывается с одной стороной β-тубулина, сохраняя контакт со следующим протофиламентом. GTP связывается с несобранными димерами тубулина, тогда как сайты связывания паклитаксела расположены только в собранном тубулине. В гидролиз GTP позволяет демонтировать и регулировать систему микротрубочек; Тем не менее активация тубулина паклитакселом приводит к постоянной стабилизации микротрубочек. Таким образом, подавление динамики микротрубочек было описано как основная причина ингибирования клеточного деления и опухолевая клетка гибель клеток, обработанных паклитакселом.[12]

Тубулин-связывающие препараты

Молекулы, связывающие тубулин, вызывают большой интерес среди цитотоксические агенты благодаря успеху в клинической онкологии. Они отличаются от других противоопухолевых препаратов своим механизмом действия, потому что нацелены на митотическое веретено, а не на ДНК. Лекарства, связывающие тубулин, были классифицированы на основе их механизма действия и сайта связывания.[4][13][14] в качестве:

I. Ингибиторы деполимеризации тубулина.

а) Лиганды сайта паклитаксела, включает паклитаксел, эпотилон, доцетаксел, дискодермолид и др.

II. Ингибиторы полимеризации тубулина

a) Сайт связывания колхицина, включает колхицин, комбрестатин, 2-метоксиэстрадиол, метоксибензолсульфонамиды (E7010) и т. д.

б) сайт связывания алкалоидов барвинка,[15] включает винбластин, винкристин, винорелбин, винфлунин, доластатины, галихондрины, гемиастерлины, криптофизин 52 и т. д.

  • Сайт связывания различных препаратов с тубулином
  • Binding site of taxol

    Таксол связан с тубулином.

  • Binding site of vinblastine

    Винбластин связан с тубулином.

  • Binding site of colchicine

    Колхицин связан с тубулином.

Таблица: Ингибиторы тубулина с указанием их участков связывания, терапевтического применения и стадий клинической разработки.[6][16]
Классы ингибиторов тубулинаСвязывающий доменРодственные препараты или аналогиТерапевтическое использованиеСтадия клинической разработки
Ингибиторы полимеризацииДомен VincaВинбластинБолезнь Ходжкина, рак яичка половых клетокв клиническом применении; 22 исследования комбинации в стадии разработки
ВинкристинЛейкемия, лимфомыВ клинической практике; 108 комбинированных испытаний в стадии разработки
ВинорелбинСолидные опухоли, лимфомы, рак легкихВ клиническом применении; 29 фаза I –III клинические испытания в процессе (одиночный и комбинированный)
ВинфлунинМочевой пузырь, немелкоклеточный рак легкого, рак молочной железыФаза III
Криптофицин 52Солидные опухолиФаза III завершена
Галихондрины-Фаза I
ДоластатиныВозможный нацеленный на сосуды агентФаза I; II этап завершенный
Гемиастерлины-Фаза I
Колхицин доменКолхицинНе-неопластический болезни (подагра, семейная средиземноморская лихорадка )Одобрен в 2009 г. FDA в рамках инициативы по запрещенным лекарствам[нужна цитата ]
КомбретастатиныВозможный нацеленный на сосуды агентФаза I
2-метоксиэстрадиол-Фаза I
E7010Солидные опухолиФаза I, II
Ингибиторы деполимеризацииТаксан сайтПаклитаксел (Таксол)Яичников, опухоли груди и легких, Саркома Капоши; испытания с множеством других опухолейВ клинической практике; 207 испытаний фазы I – III в США; TL00139 находится в фазе I испытаний
Доцетаксел (Таксотер)Предстательная железа, опухоли головного мозга и легких8 испытаний в США (фазы I – III)
ЭпотилонПаклитакселрезистентные опухолиФазы I – III
Дискодермолид-Фаза I
Ингибиторы тубулина
Домен VincaVinblastine.svgVincristine.svgVinorelbine.svg
ВинбластинВинкристинВинорелбин
Vinflunine.svgCryptophycin 52.svgHalichondrin B.svg
ВинфлунинКриптофицин 52Галихондрин B
Dolastatin10.svgDolastatin15.svgHemiasterlin A.svg
Доластатин 10Доластатин 15Хемиастерлин А
Hemiasterlin B.svg
Хемиастерлин B
Колхицин доменColchicine structure.pngCombretastatin.svgMethoxybenzene-sulphonamide.svg
КолхицинКомбретастатинE7010
2-Methoxyestradiol.svg
2-метоксиэстрадиол
ТАКСАНОВЫЙ УЧАСТОКDocetaxel.svgTaxol.svg(-)-Epothilone A.svg
ДоцетакселПаклитакселЭпотилон А
(-)-Epothilone B.svgDiscodermolide.svg
Эпотилон BДискодермолид
  • Винбластин и винкристин были выделены из мадагаскарского барвинка Катарантус розовый. Мадагаскар традиционно использовал барвинок розовый для лечения диабета. Фактически, он веками использовался во всем мире для лечения всех видов недугов, от укусов ос в Индии до глазных инфекций в Карибском бассейне. 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 гемостатики. Самым интересным было то, что винбластин и винкристин снижают количество лейкоцитов в крови. Высокое количество лейкоцитов в крови указывает на лейкоз, поэтому было открыто новое противораковое лекарство. Эти два алкалоида связываются с тубулином, чтобы препятствовать тому, чтобы клетка создавала веретена, которые ей необходимы для деления. Это отличается от действия таксола, который препятствует делению клеток, предотвращая разрушение веретен. Винбластин в основном полезен для лечения Лимфома Ходжкина, распространенный рак яичек и рак груди. Винкристин в основном используется для лечения острого лейкоза и других лимфом.
  • Винорелбин был разработан под руководством французского фармацевта Пьера Путера, который в 1989 году получил первоначальную лицензию на копание под торговой маркой Navelbine. Винорелбин также известен как винорелбин тартрат, препарат является полусинтетическим аналогом другого лекарства от рака - 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 груди и проходит клинические испытания для лечения других типов опухолей.
  • Винфлунин представляет собой новый фторированный алкалоид барвинка, который в настоящее время проходит фазу II клинических испытаний, который в доклинических исследованиях продемонстрировал более высокую противоопухолевую активность, чем винорелбин и винбластин. Винфлунин блокирует митоз при переходе от метафазы к анафазе, что приводит к апоптозу.[17] Винфлунин - это химиотерапевтический препарат, используемый для лечения распространенного рака мочевого пузыря и уротелиального тракта. Его еще называют Javlor. Он лицензирован для людей, которые уже прошли химиотерапию цисплатином или карбоплатином.
  • Криптофицин 52 был выделен из сине-зеленого водоросли Носток sp. GSV 224. Криптофицины - это семейство родственных депсипептиды демонстрируя высокую цитотоксическую активность. Криптофицин 52 изначально разрабатывался как фунгицид, но был слишком токсичным для клинического использования. Позже исследования были сосредоточены на том, чтобы рассматривать криптофицин как яд микротрубочек, предотвращающий образование митотического веретена.[10] Криптофицин 52 показал высокую мощную антимитотическую активность, чтобы противостоять динамике микротрубочек веретена.[4] Кроме того, интерес к этому препарату повысился в связи с открытием того факта, что криптофицин проявляет пониженную чувствительность к насосу множественной лекарственной устойчивости и не проявляет снижения активности в ряде случаев. лекарственно-устойчивые клеточные линии.
  • Галихондрин B был впервые изолирован от Галихондрия окадай, а позже из неродственных губок Axinella carteri и Phankella carteri. Галихондрин B представляет собой сложный полиэфирный макролид, который синтезируется и останавливает рост клеток при субнаномолярных концентрациях.[4] Галихондрин B является неконкурентным ингибитором связывания как винкристина, так и винбластина с тубулином, что позволяет предположить, что препараты связываются с сайтом связывания барвинка или соседним сайтом. Выделение галихондрина B из двух несвязанных родов губок привело к предположению, что галихондрин B на самом деле является микробом, а не метаболитом губки, потому что губки поддерживают широкий спектр микробов. Если это так, технологии ферментации могут обеспечить полезный запас галихондрина B.
  • Доластатины были выделены из морской заяц Dolabella auricularia, маленькое море моллюск, и считается источником яда, использованного для убийства сына Император Клавдий Рима в 55 году нашей эры.Доластатины 10 и 15 являются новыми пентапептидами и обладают мощными антимитотическими свойствами. Они цитотоксичны по ряду Сотовые линии при субнаномолярных концентрациях. Пептиды доластатинов 10 и 15 неконкурентно ингибируют связывание винкристина с тубулином. Доластатин 10 в 9 раз эффективнее доластатина 15, и оба они более эффективны, чем винбластин.[4] Доластатины также усиливают и стабилизируют связывание колхицина с тубулином.
  • Гемиастерлины выделяли из морской губки, Цимбастела зр. Гемиастерлины представляют собой семейство сильнодействующих цитотоксических пептидов. Гемиастерлин А и гемиастерлин В проявляют сильную активность против P388 клеточной линии и подавляют деление клеток, связываясь с сайтом алкалоида барвинка на тубулине. Гемиастерлин А и В проявляют более сильную антипролиферативную активность, чем алкалоиды барвинка и паклитаксел.
  • Колхицин алкалоид, приготовленный из сушеных зерен и семян лугового шафрана, Колхикум осенний, является противовоспалительным препаратом, который непрерывно используется более 3000 лет. Колхицин - это пероральный препарат, который, как известно, используется для лечения острой подагры и предотвращения острых приступов семейной средиземноморской лихорадки (FMF). Однако использование колхицина ограничено его высокой токсичностью при 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.[18]
  • Комбретастатины изолирован от ивы южноафриканской, Combretum caffrum. Комбретастатин является одним из наиболее простых соединений, проявляющих антимитотический эффект за счет взаимодействия с сайтом связывания колхицина тубулина, а также одним из самых сильных ингибиторов связывания колхицина.[4] Комбретастатин не распознается множественная лекарственная устойчивость (MDR) насос, клеточный насос, который быстро выталкивает инородные молекулы из клетки.[8] Сообщается также, 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 сульфонамидным антимитотическим агентом, который, как было показано, ингибирует образование микротрубочек за счет связывания в месте расположения колхицинов.[4][8] Он хорошо растворяется в воде в виде кислой соли. Метоксибензолсульфонамид показал хорошие результаты против широкого спектра опухолевых клеток, включая устойчивые к алкалоидам барвинка солидные опухоли. Результаты исследований на животных показали активность в отношении тканей рака прямой кишки, молочной железы и легких.
  • 2-метоксиэстрадиол является естественным метаболитом гормона млекопитающих эстрадиола и образуется в результате окисления в печени. 2-метоксиэстрадиол цитотоксичен для нескольких линии опухолевых клеток, связывается с участком колхицина тубулина, вызывая образование аномальных микротрубочек. 2-Метоксиэстрадиол проявляет сильную апоптотическую активность против быстро растущих опухолевых клеток. Он также обладает антиангиогенной активностью за счет прямого апоптотического действия на эндотелиальные клетки.[19]
  • Доцетаксел, представляет собой полусинтетический аналог паклитаксела с торговым названием Taxotere. Доцетаксел имеет минимальные структурные модификации в боковой цепи C13, и 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.[4]
  • Паклитаксел был выделен из коры тиса тихоокеанского Taxus brevifolia Натт. (Taxaceae). Позже он был также изолирован от деревьев фундука (листьев, веток и орехов) и грибов, обитающих на этих деревьях, но его концентрация составляет всего около 10% от концентрации в тисе. Паклитаксел также известен как таксол и онксол как противораковое лекарство. Препарат является препаратом первой линии для лечения рака яичников, груди, легких и толстой кишки и препаратом второй линии для лечения СПИДа. Саркома Капоши. (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 для лечения рака груди.[20]
  • Эпотилоны получены из ферментирующих почвенных бактерий, Сорангиум целлюлозум и было обнаружено, что он слишком токсичен для использования в качестве противогрибкового средства. Эпотилоны - это агенты, стабилизирующие микротрубочки, с механизмом действия, аналогичным таксанам, включая подавление динамики микротрубочек, стабилизацию микротрубочек, стимулирование полимеризации тубулина и увеличение массы полимера при высоких концентрациях. Они вызывают остановку митоза в фазе G2-M клеточного цикла, что приводит к апоптозу.[1] Эпотилон А и эпотилон В проявляют как противогрибковые, так и цитотоксические свойства. Эти эпотилоны являются конкурентными ингибиторами связывания паклитаксела с тубулином, проявляя активность при аналогичных концентрациях. Это открытие позволяет предположить, что эпотилоны и паклитаксел принимают сходные конформации in vivo. Однако эпотилоны примерно в 30 раз более водорастворимы, чем паклитаксел, и более доступны, их легко получить путем ферментации родительской миксобактерии и их можно получить полным синтезом. Эпотилоны также не распознаются механизмами множественной лекарственной устойчивости, поэтому он имеет гораздо более высокую эффективность, чем паклитаксел, в линиях клеток с множественной лекарственной устойчивостью.[8]
  • Дискодермолид первоначально было обнаружено, что он обладает иммунодепрессивным и противогрибковым действием. Дискодермолид - это полигидроксилированный алкететраеновый лактон морского происхождения, выделенный из глубоководной губки Багамских островов, Дискодермия диссолюта, ингибирует митоз клеток и индуцирует образование стабильного полимера тубулина in vitro и считается более эффективным, чем паклитаксел, со значением EC50 3,0 мкМ по сравнению с 23 мкМ.[4] Лекарственное средство, макролид (полигидроксилированный лактон), является членом разнообразного по структуре класса соединений, называемых поликетидами, с заметным химическим механизмом действия. Он стабилизирует микротрубочки клеток-мишеней, по существу задерживая их на определенной стадии клеточного цикла и останавливая деление клеток. Это многообещающий кандидат морского происхождения для лечения некоторых видов рака.

Взаимосвязь структурной деятельности (SAR)

SAR аналога колхицина

Колхицин является одним из старейших известных антимитотических препаратов и в последние годы[когда? ] было проведено много исследований с целью выделения или разработки соединений, имеющих аналогичную структуру, но высокую активность и меньшую токсичность. Это привело к открытию ряда аналогов колхицина. Структура колхицина состоит из трех колец, триметоксибензольного кольца (кольцо А), метокси тропон кольцо (кольцо C) и семичленное кольцо (кольцо B) с ацетамидной группой, расположенной в его положении C-7. Триметоксифенильная группа колхицина не только помогает в стабилизации комплекса тубулин-колхицин, но также важна для антитубулиновой активности в сочетании с кольцом C. 3-метоксигруппа увеличивает связывающую способность, тогда как 1-метоксигруппа помогает в достижении правильного конформация молекулы. Стабильность тропонового кольца и положение метокси- и карбонильной группы имеют решающее значение для связывающей способности соединения. 10-метоксигруппу можно заменить галогеновой, алкильной, алкокси- или аминогруппой, не влияя на аффинность связывания тубулина, в то время как объемные заместители снижают активность. Кольцо B при расширении показало пониженную 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 C-5 привела к потере активности, тогда как присоединение аннулированных гетероциклический кольцевые системы для кольца B привели к высокому мощный сложный.[11]

SAR аналога паклитаксела

Паклитаксел добился большого успеха в качестве противоракового препарата, однако предпринимались постоянные усилия по его улучшению. эффективность и разработать аналоги, которые более активны и обладают большей биодоступность и специфичность. Важность С-13-замещенной боковой цепи фенилизосерина для биологической активности паклитаксела известна давно. Было протестировано несколько замен при замене C-3 '. Замена C-3 'фенильной группы на алкильные или алкинильные группы значительно усиливала активность, а с группой CF3 в этом положении в сочетании с модификацией 10-Ac другими ацильными группами повышала активность в несколько раз. Еще одна модификация С-3 с циклопропан и эпоксидные фрагменты также оказались эффективными. Было обнаружено, что большинство аналогов без кольца А намного менее активны, чем сам паклитаксел. Аналоги с амидной боковой цепью у C-13 менее активны, чем их сложноэфирные аналоги. Также деоксигенация в позиции 1 проявил пониженную активность. Получение 10-α-спироэпоксида и его 7-MOM эфира давало соединения, имеющие сопоставимые цитотоксичность и активность сборки тубулина, как у паклитаксела. Замена на C-6-α-OH и C-6-β-OH давала аналоги, которые были равномерный к паклитакселу в анализе сборки тубулина. Наконец оксетан Обнаружено, что кольцо играет важную роль при взаимодействии с тубулином.[21]

SAR аналогов винбластина

Винбластин является сильнодействующим лекарством, которое также имеет серьезные побочные эффекты, особенно на неврологическую систему. Поэтому были разработаны новые синтетические аналоги с целью получения более эффективных и менее токсичных лекарств. В стереохимический конфигурации на C-20 ', C-16' и C-14 'в части велбанамина имеют решающее значение, и инверсия приводит к потере активности. Карбоксиметильная группа C-16 'важна для активности, поскольку декарбоксилированный димер неактивен. Структурные вариации C-15'-C-20 'в кольце велбанамина хорошо переносятся. Верхний скелетный модификация винбластина дала винорелбин, который показывает активность, сравнимую с винбластином. Другой полученный аналог представлял собой дифторпроизводное винорелбина, которое показало улучшенную противоопухолевую активность in vivo. Было обнаружено, что фторирование в положении C-19 винорелбина резко увеличивает in vivo Мероприятия. Большинство из SAR исследования включают виндолиновую часть бис-индола алкалоиды Потому что модификации на С-16 и С-17 открывают хорошие возможности для разработки новых аналогов. Замена сложноэфирной группы амидной группой у C-16 привела к образованию виндезина. Аналогичным образом замена ацетильной группы у C-16 на L-trp-OC2H5, d-Ala (P) - (OC2H5) 2, L-Ala (P) - (OC2H5) 2 и I-Vla (P) - (OC2H5) ) 2 привели к появлению новых аналогов, обладающих антитубулиновой активностью. Также было обнаружено, что индольная метильная группа виндолина является полезным положением для возможной функционализации и разработки новых мощных производных винбластина. Новая серия полусинтетический С-16-спирооксазолидин-1,3-дионы, полученные из 17-деацетилвинбластина, показали хорошую анти-тубулиновую активность и более низкую цитотоксичность. Винглицинат глицинат пролекарство полученный из группы C-17-OH винбластина, показал аналогичную противоопухолевую активность и токсичность, что и винбластин.[22]

Ограничения

Побочные эффекты

  • периферическая невропатия, вызванная химиотерапией, прогрессирующее, стойкое, часто необратимое онемение, вызывающее покалывание, сильная боль и гиперчувствительность к холоду, начиная с кистей и стоп, а иногда и с рук и ног.[23]
  • стоматит (изъязвление губ, языка, полости рта)
  • тошнота, рвота, диарея, запор, паралитическая кишечная непроходимость, задержка мочи
  • подавление костного мозга
  • реакции гиперчувствительности - приливы, локализованные кожные реакции, сыпь (с зудом или без него), стеснение в груди, боль в спине, одышка, лекарственная лихорадка или озноб
  • костно-мышечные эффекты - артралгия и / или миалгия
  • сильная слабость
  • гипотония
  • алопеция
  • нейротоксичность[24]

Человеческие факторы

Ограничения в противоопухолевой терапии возникают в основном по двум причинам; из-за организма пациента или из-за специфических генетических изменений в опухолевых клетках. Терапия у пациента ограничена плохим всасыванием лекарства, что может привести к низкой концентрации активного агента в крови и доставке небольшого количества к опухоли. Низкий уровень лекарственного средства в сыворотке также может быть вызван быстрым метаболизмом и выведением, связанными со сродством к кишечнику и / или печени. цитохром P450. Другая причина - нестабильность и разложение лекарств в желудочно-кишечной среде. Серьезной проблемой является также различие между пациентами, что вызывает разные биодоступность после приема равная доза препарата и разная толерантность к действию химиопрепаратов. Вторая проблема особенно важна при лечении пожилых людей. Их организм слабее, и им необходимо применять более низкие дозы, часто ниже терапевтического уровня. Другой проблемой противораковых агентов является их ограниченная растворимость в воде, которая существенно снижает абсорбцию лекарства. Проблемы с доставкой лекарств в опухоль возникают также, когда активный агент имеет высокую молекулярную массу, которая ограничивает проникновение в ткань, или опухоль имеет большой объем, препятствующий проникновению.[3][25]

Устойчивость к лекарству

Множественная лекарственная устойчивость является наиболее важным ограничением в противоопухолевой терапии. Он может развиваться во многих химически различных соединениях. До сих пор известно несколько механизмов развития устойчивости. Наиболее распространено производство так называемых «откачивающих насосов». Насосы удаляют лекарства из опухолевых клеток, что приводит к низкой концентрации лекарства в мишени, ниже терапевтического уровня. Отток вызван Р-гликопротеин называется также переносчиком множества лекарственных препаратов. Этот белок является продуктом гена множественной лекарственной устойчивости MDR1 и является членом семейства АТФ-зависимых транспортеров (АТФ-связывающая кассета ). Р-гликопротеин встречается в каждом организме и служит для защиты организма от ксенобиотики и участвует в перемещении питательных веществ и других биологически важных соединений внутри одной клетки или между клетками. Р-гликопротеин обнаруживает субстраты, когда они проникают в плазматическую мембрану и связывают их, что вызывает активацию одного из АТФ-связывающих доменов. Следующим шагом является гидролиз АТФ, который приводит к изменению формы P-gp и открывает канал, по которому лекарство откачивается из клетки. Гидролиз второй молекулы АТФ приводит к закрытию канала, и цикл повторяется. Р-гликопротеин имеет сродство к гидрофобным лекарствам с положительным зарядом или электрически нейтральным и часто сверхэкспрессируется при многих раковых заболеваниях человека. Некоторые опухоли, например рак легких, не экспрессируют этот переносчик чрезмерно, но также способны развивать устойчивость. Было обнаружено, что другой транспортер MRP1 также работает как насос оттока, но в этом случае субстраты представляют собой 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 через процесс эндоцитоза. Рак может развить устойчивость за счет мутаций в своих клетках, что приводит к изменениям поверхности клеток или нарушению эндоцитоза. Мутация может устранить или изменить переносчики или рецепторы, которые позволяют лекарствам проникать в опухолевую клетку. Другой причиной лекарственной устойчивости является мутация β-тубулина, которая вызывает изменения в сайтах связывания, и данное лекарство не может связываться с его мишенью. Опухоли также изменяют изоформы экспрессии тубулина для этих опухолей, которые не являются мишенями для антимитотических препаратов, например сверхэкспрессия βIII-тубулина. Кроме того, опухолевые клетки экспрессируют другие виды белков и изменяют динамику микротрубочек, чтобы противодействовать действию противоопухолевых препаратов. Устойчивость к лекарствам также может развиться из-за прерывания терапии.[3][5][6][25]

Другие

  • Маргинальная клиническая эффективность - часто соединения проявляют активность in vitro но не обладают противоопухолевой активностью в клинике.[26]
  • Плохая растворимость в воде препаратов, которые необходимо растворять в полиоксиэтилированном касторовом масле или полисорбатах, что вызывает реакции гиперчувствительности. Было высказано предположение, что эти растворители также могут уменьшить доставку лекарств к клеткам-мишеням.[10][27]
  • Биодоступность[28]
  • Доза предел - более высокие дозы вызывают высокую токсичность, а длительное использование приводит к кумулятивной нейротоксичности и гемопоэтической токсичности.[10]
  • Невропатия, которая является значительным побочным эффектом, может развиться в любой момент терапии и потребовать прерывания лечения. After symptoms have resolved therapy can be started again but the break allow tumor for develop of resistance.[16]
  • Poor penetration through the гематоэнцефалический барьер.[16]

Future drug development

Because of numerous adverse effect and limitations in use, new drugs with better properties are needed. Especially are desired improvements in antitumor activity, toxicity profile, drug formulation and pharmacology.[27] Currently have been suggested few approaches in development of novel therapeutic agents with better properties

  • Discovery agents which are not a substrate for efflux pump or modifications of drugs in toward lower affinity to transporting proteins. Discover P-glycoprotein inhibitors with higher affinity to the transporter then drugs, is next approach. For improving oral bioavailability is suggested co-administration of P-gp and cytochrome inhibitors with anticancer drugs.[16][27]
  • Development of inhibitors that have their binding site in α-tubulin. This part of tubulin dimer remains unused because all currently use drugs bind to the β-tubulin. Research in this field can open new opportunity in treatment and provide new class of inhibitors.
  • One of the targets for anticancer drugs can be tumor vasculature. The advantage in this case is relatively easy access of therapeutic agents to the target. It is known that some compounds can inhibit the formation of new blood vessels (inhibit the process of ангиогенез ) or shut down existing ones. Tumor cells die very fast after cutting off the oxygen supply what suggest these agents are especially interesting. What more, it seems the agents act only with tumor vasculature and do not interact with normal tissues. The mechanisms is not known but has been suggested that the reason are differences between young tissue of tumor and mature tissue of normal vasculature. Antivascular agents are similar to colchicine and bind to the colchicine binding site on β-tubulin so development of novel agents acting with colchicine binding site (which is not used by any of currently approved drugs) seems to be a promising approach.[1]
  • Therapy with combination of two or more drugs which have various binding sites and/or different mechanism of action but have non overlapping adverse effects. This would allow use of drugs in low concentration what reduce strength of side effects associated with high doses of anticancer agents. Better efficiency might be also a result of maintenance low concentrations of drugs for long period instead of drastic changes in the amount of administered drugs.[6][10]
  • Липосомы and polymer-bound drugs comprise promising improvements in delivery system. Liposomes allow for delivery considerable amounts of drag to the tumor without toxic effect in normal tissues and slowly release drugs what result in prolongation of pharmaceutical action. Similar properties have drugs bound to polymer. In addition, use of water-soluble polymers allow hydrophilic anticancer agents become soluble. The nature of polymer-drug linkage can be designed to be stable in normal tissues and break down in tumor environment, which is more acidic. This approach allow for release active agent exactly in the target.[28]
  • Discover new compounds active against drug-resistant cancers with different mechanism than drugs have been already known.
  • Elucidation of all resistance mechanisms and design drugs which avoid it.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час Jordan, M. (2012). "Mechanism of Action of Antitumor Drugs that Interact with Microtubules and Tubulin". Current Medicinal Chemistry. Anti-Cancer Agents. 2 (1): 1–17. Дои:10.2174/1568011023354290. PMID  12678749.
  2. ^ Gordaliza, M. (2008). "Natural products as leads to anticancer drugs". Clinical and Translational Oncology. 9 (12): 767–76. Дои:10.1007/s12094-007-0138-9. PMID  18158980. S2CID  19282719.
  3. ^ а б c d е ж Perez, E. A. (2009). "Microtubule inhibitors: Differentiating tubulin-inhibiting agents based on mechanisms of action, clinical activity, and resistance". Молекулярная терапия рака. 8 (8): 2086–95. Дои:10.1158/1535-7163.MCT-09-0366. PMID  19671735.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j Islam, Mohd.; Iskander, Magdy (2004). "Microtubulin Binding Sites as Target for Developing Anticancer Agents". Mini-Reviews in Medicinal Chemistry. 4 (10): 1077–104. Дои:10.2174/1389557043402946. PMID  15579115.
  5. ^ а б c d Pellegrini, Federico; Budman, Daniel R (2005). "Review: Tubulin Function, Action of Antitubulin Drugs, and New Drug Development". Расследование рака. 23 (3): 264–73. Дои:10.1081/CNV-200055970. PMID  15948296. S2CID  45866448.
  6. ^ а б c d е ж Jordan, Mary Ann; Wilson, Leslie (2004). «Микротрубочки как мишень для противоопухолевых препаратов». Обзоры природы Рак. 4 (4): 253–65. Дои:10.1038 / nrc1317. PMID  15057285. S2CID  10228718.
  7. ^ TitoFojo, The role of microtubules in Cell Biology, Neurobiology and Oncology, Humana Press.[страница нужна ]
  8. ^ а б c d Jordan, Allan; Hadfield, John A.; Lawrence, Nicholas J.; McGown, Alan T. (1998). "Tubulin as a target for anticancer drugs: Agents which interact with the mitotic spindle". Обзоры медицинских исследований. 18 (4): 259–96. Дои:10.1002/(SICI)1098-1128(199807)18:4<259::AID-MED3>3.0.CO;2-U. PMID  9664292.
  9. ^ Bhalla, Kapil N (2003). "Microtubule-targeted anticancer agents and apoptosis". Онкоген. 22 (56): 9075–86. Дои:10.1038/sj.onc.1207233. PMID  14663486.
  10. ^ а б c d е ж Morris, P. G.; Fornier, M. N. (2008). "Microtubule Active Agents: Beyond the Taxane Frontier". Клинические исследования рака. 14 (22): 7167–72. Дои:10.1158/1078-0432.CCR-08-0169. PMID  19010832.
  11. ^ а б Чен, Цзин; Лю, Тао; Dong, Xiaowu; Hu, Yongzhou (2009). "Recent Development and SAR Analysis of Colchicine Binding Site Inhibitors". Mini-Reviews in Medicinal Chemistry. 9 (10): 1174–90. Дои:10.2174/138955709789055234. PMID  19817710.
  12. ^ Abal, M.; Andreu, J.; Barasoain, I. (2003). "Taxanes: Microtubule and Centrosome Targets, and Cell Cycle Dependent Mechanisms of Action". Current Cancer Drug Targets. 3 (3): 193–203. Дои:10.2174/1568009033481967. PMID  12769688.
  13. ^ Hamel, Ernest (1996). "Antimitotic natural products and their interactions with tubulin". Обзоры медицинских исследований. 16 (2): 207–31. Дои:10.1002/(SICI)1098-1128(199603)16:2<207::AID-MED4>3.0.CO;2-4. PMID  8656780.
  14. ^ Kingston, David G. I. (2009). "Tubulin-Interactive Natural Products as Anticancer Agents(1)". Журнал натуральных продуктов. 72 (3): 507–15. Дои:10.1021/np800568j. ЧВК  2765517. PMID  19125622.
  15. ^ Cragg, Gordon M.; Newman, David J. (2004). "A Tale of Two Tumor Targets: Topoisomerase I and Tubulin. The Wall and Wani Contribution to Cancer Chemotherapy†". Журнал натуральных продуктов. 67 (2): 232–44. Дои:10.1021/np030420c. PMID  14987065.
  16. ^ а б c d Kuppens, Isa (2006). "Current State of the Art of New Tubulin Inhibitors in the Clinic". Современная клиническая фармакология. 1 (1): 57–70. Дои:10.2174/157488406775268200. PMID  18666378.
  17. ^ Okouneva, Tatiana; Hill, Bridget T.; Wilson, Leslie; Jordan, Mary Ann (2003). "The Effects of Vinflunine, Vinorelbine, and Vinblastine on Centromere Dynamics". Молекулярная терапия рака. 2 (5): 427–36. PMID  12748304.
  18. ^ Molad, Yair (2002). "Update on colchicine and its mechanism of action". Current Rheumatology Reports. 4 (3): 252–6. Дои:10.1007/s11926-002-0073-2. PMID  12010611. S2CID  4507579.
  19. ^ Lakhani, Nehal J.; Sarkar, Mohamadi A.; Venitz, Jurgen; Figg, William D. (2003). "2-Methoxyestradiol, a Promising Anticancer Agent". Фармакотерапия. 23 (2): 165–72. Дои:10.1592/phco.23.2.165.32088. PMID  12587805.
  20. ^ http://www.paclitaxel.org/[требуется полная цитата ]
  21. ^ Fang, W.-; Liang, X.- (2005). "Recent Progress in Structure Activity Relationship and Mechanistic Studies of Taxol Analogues". Mini-Reviews in Medicinal Chemistry. 5 (1): 1–12. Дои:10.2174/1389557053402837. PMID  15638787.
  22. ^ Lixin Zhang, Arnold L. Demain (2005), Natural products: drug discovery and therapeutic medicine.Natural products: drug discovery and therapeutic medicine[страница нужна ]
  23. ^ del Pino BM (Feb 23, 2010). "Chemotherapy-induced Peripheral Neuropathy". NCI Cancer Bulletin. п. 6. Архивировано из оригинал 11 декабря 2011 г.
  24. ^ Hazardous Substances Data Bank (HSDB) http://toxnet.nlm.nih.gov[требуется полная цитата ]
  25. ^ а б Gottesman, Michael M. (2002). "Mechanisms of cancer drug resistance". Ежегодный обзор медицины. 53: 615–27. Дои:10.1146/annurev.med.53.082901.103929. PMID  11818492.
  26. ^ Ivachtchenko, Alexandre; Kiselyov, Alex; Tkachenko, Sergey; Ivanenkov, Yan; Balakin, Konstantin (2007). "Novel Mitotic Targets and Their Small-Molecule Inhibitors". Current Cancer Drug Targets. 7 (8): 766–84. Дои:10.2174/156800907783220499. PMID  18220536.
  27. ^ а б c Attard, Gerhardt; Greystoke, Alastair; Kaye, Stan; De Bono, Johann (2006). "Update on tubulin-binding agents". Pathologie Biologie. 54 (2): 72–84. Дои:10.1016/j.patbio.2005.03.003. PMID  16545633.
  28. ^ а б Terwogt, Jetske M.Meerum; Schellens, Jan H.M.; Huinink, Wim W.ten Bokkel; Beijnen, Jos H. (1999). "Clinical pharmacology of anticancer agents in relation to formulations and administration routes". Отзывы о лечении рака. 25 (2): 83–101. Дои:10.1053/ctrv.1998.0107. PMID  10395834.