CC BY
156
российский онкологический журнал. 2018; 23 (2)
DOI: http://dx.doi.org/10.18821/1028-9984-2018-23-2-60-70
оригинальные статьи
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
© ТРЕЩАЛИН М.И., НЕБОРАК Е.В., 2018 УДК 615.355:577.152.52].015.4
Трещалин М.И.1, Неборак Е.В.2
топоизомеразы: особенности действия, классификация,
клеточные функции, ингибиторы, антрафурандион
'ФГБНУ «Научно-исследовательский институт по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе», 119021, г. Москва, Россия;
2ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов», 117198, г. Москва, Россия
Топоизомеразы, влияющие на топологию ДНК и способные релаксировать их сверхспирализованные молекулы путём внесения одно- или двухцепочечныхразрывов с последующим восстановлением, а также отрицательных супервитков или катенанов, известны как мишени для противоопухолевой терапии. Ингибиторы этих ферментов различной природы и химической структуры широко используются для подавления активности опухолевых топоизомераз I и/или II типа с блокированием клеток в фазе G2 и задержкой их вступления в митоз. Наиболее чувствительными к этим препаратам оказались такие труднокурабельные опухоли, как колоректальный рак, рак желудка, немелкоклеточный рак лёгкого и пр. Поиски перспективных противоопухолевых ингибиторов ведутся, в основном, в рядах некамптотециновых агентов, среди которых наиболее значимые результаты демонстрируют гетероциклические конденсированные азотсодержащие соединения, в частности антрафурандионы. Описанию свойств топоизомераз-мишеней и их ингибиторов из перспективных классов посвящён данный обзор тематической литературы за 2011-2018 гг.
Цель исследования: оценка перспектив поиска новых противоопухолевых ингибиторов топоизомераз среди синтетических некамптотециновых соединений. Задачи исследования:
Анализ сигнальных характеристик топоизомераз как мишеней для противоопухолевых некамптотециновых ингибиторов.
Выявление взаимосвязи структура-активность в рядах потенциальных ингибиторов топоизомераз. Выбор наиболее перспективного некамптотецинового ингибитора топоизомераз в ряду гетероциклических соединений на основе сравнительного анализа структуры и свойств.
Материал и методы. Анализу подвергнуты материалы 41 научной статьи, опубликованной в ведущих биологических, биохимических и химических журналах разных стран мира в течение 8 последних лет. Структура обзора соответствует цели и задачам научного анализа. Заключение резюмирует мнение авторов, представляющих основные факторы эффективности изучаемых соединений: биохимию, фармакологию и токсикологию. Результаты. Анализ тематической литературы показал, что топоизомеразы являются значимыми мишенями для таргетной противоопухолевой терапии тяжёлой онкологической патологии. В связи с этим в последние годы среди ингибиторов топоизомераз ведутся интенсивные поиски самых разнообразных лекарственных средств. Исследователи модифицируют известные базовые структуры, а также синтезируют новые. Открытие Тор-ингибирующей активности известных препаратов расширяет сведения о механизме их действия. Для выявления способности лекарственного соединения к угнетению активности топоизомераз применяют методы с использованием плазмидных ДНК. Параллельно изучается цитотоксическая активность, а также такие показатели, как индукция апоптоза, в том числе путём активации каспаз, изменение мито-хондриального потенциала, влияние на маркёр апоптоза р53 и другие. Несомненную актуальность имеют исследования, направленные на выявление новых активных некамптотециновых пероральных ингибиторов топоизомераз среди производных антрациклинов. Такие агенты, в отличие от доксорубицина (антрациклино-вого антибиотика, широко применяемого для лечения злокачественных новообразований), имеют умеренно выраженные токсические свойства и позволяют контролировать рост солидных опухолей и лейкозов при использовании в монорежиме.
Заключение. С точки зрения поиска оригинальных противоопухолевых средств, одним из наиболее перспективных является класс гетероциклических азотсодержащих соединений, прежде всего антрахинонов, представители которого проявляют выраженные свойства ингибиторов топоизомераз. Результаты химических и биологических исследований соединений этого ряда были положены в основу разработки лекарственных субстанций и их оптимальных лекарственных форм. Прогностически значимые данные, полученные в ходе доклинических исследований, позволяют надеяться, что созданные противоопухолевые средства проявят высокую эффективность при клинических испытаниях.
Ключевые слова: топоизомеразы; особенности действия; классификация; клеточные функции; ингибиторы; антрафурандион.
Для цитирования: Трещалин М.И., Неборак Е.В. Топоизомеразы: особенности действия, классификация, клеточные функции, ингибиторы, антрафурандион. Российский онкологический журнал. 2018; 23 (2): 60-70. DOI: http://dx.doi.org/10.18821/1028-9984-2018-23-2-60-70
Для корреспонденции: Трещалин Михаил Иванович, научный сотрудник лаборатории фармакологии и химиотерапии; 119021, г Москва, ул. Большая Пироговская, д. 11, стр. 1. E-mail: [email protected].
ORIGINAL ARTICLES
TreshalinM.I.1, Neborak E.V.2
TOPOISOMERASES: FEATURES OF THE ACTION, CLASSIFICATION, CELL FUNCTIONS, INHIBITION, ANTHRAFURANDION
'Gause Institute of New Antibiotics, Moscow, 119021, Russian Federation;
2The Peoples' Friendship University of Russia, Moscow, 117198, Russian Federation
Introduction. Topoisomerases influence on DNA topology and are capable of running down their super spiraling molecules by importation of one- or two-chained ruptures with the subsequent restitution and also the negative super rounds or catenae's. Topoisomerases are known to be targets for antineoplastic therapy. Inhibitors of these enzymes of various nature and chemical structure are widely used for the suppression of tumor Topoisomerase I and/or II activity with the blocking cells in the phase G2 and a delay of their introduction in mitosis. Such difficult curable tumors as colorectal cancer, carcinoma of the stomach, non-small cell lung cancer and so forth are the most sensitive to these drugs. The search of perspective antineoplastic inhibitors is implemented generally in ranks of the non-camptothecin agents among which heterocyclic condensed nitrogenous compounds, in particular, anthrafurandiones show the most significant results. The review of thematic literature from 2011 to 2018 is devoted to the description of properties of topoisomerase as targets and their inhibitors from perspective classes. Objectives:
1. The analysis of signal characteristics of topoisomerases as targets for anticancer non-camptothecin inhibitors.
2. Identification of structure-activity relationship in the ranks ofpotential inhibitors of topoisomerases.
3. The choice of the most perspective non-camptothecin topoisomerase inhibitors among heterocyclic condensed nitrogenous compounds on the basis of the comparative analysis of structure and properties.
Material and methods. Materials of 79 scientific articles published in the leading biological, biochemical and chemical journals of the different countries within the 8 last years are subjected to the analysis. The structure of the review meets the purpose and tasks of the scientific analysis.
Results. The analysis of the thematic literature showed topoisomerases to be relevant targets for antineoplastic therapy of severe oncological pathology. In this regard, intensive search of various pharmaceuticals among topoisomerase inhibitors is performed in recent years. Researchers modify the known basic structures as well as synthesize new compounds. The discovery of a top-directional effect of the known medicines expands the data on their mechanism of the action. To identify the topoisomerase inhibitory activity of the drug the methods with the use of plasmid DNA is applied. The cytotoxic activity, apoptosis induction, including the caspases activation, modification of mitochondrial potential, influence on p53 and others are examined in parallel studies. The research directed on the identification of new effective non-camptothecin oral topoisomerase inhibitors among the anthracyclines derivatives are of undoubted relevance. Such agents, in contrast to Doxorubicin (anthracycline antibiotic widely used for tumor therapy), have moderate toxicity and allow to control the growth of solid tumors and leukemia in mono-therapy mode. Conclusion. In terms of searching of original antineoplastic agents, a class of heterocyclic condensed nitrogenous compounds, first of all, the anthraquinones showing properties of topoisomerase inhibitors is one of the most promising. The results of chemical and biological research of the compounds of this series were laid in a basis of the design of medicinal substances and their drug formulations. Prognostically significant data obtained in preclinical testing allow us to hope that obtained antitumor agents will be highly effective on a clinical stage of trials.
Keywords: topoisomerase; action mechanism; classification; cellular functions; inhibitors; anthrafurandione.
For citation: Treshalin M.I., Neborak E.V. Topoisomerases: features of the action, classification, cell functions, inhibition, anthrafurandion. Rossiiskii onkologicheskii zhurnal. (Russian Journal of Oncology). 2018; 23 (2): 60-70. (In Russ.). DOI: http://dx.doi.org/10.18821/1028-9984-2018-23-2-60-70
For correspondence: Michael I. Treshalin, MD, senior researcher of the Laboratory of pharmacology and chemotherapy of the Gause Institute of New Antibiotics, Moscow, 119021, Russian Federation. E-mail: [email protected]
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Acknowledgment. The study had no sponsorship.
Received 23 April 2018 Accepted 17 May 2018
Топоизомеразы: механизм действия и классификация
ДНК-топоизомеразы - это ферменты, ответственные за регуляцию топологии ДНК. Они вносят в структуру ДНК разрывы, а после релаксации суперспирали повторно их лигируют [1, 2]. В тексте арабские цифры использованы для обозначения фермента, римские - для обозначения его типа. Существует два типа топоизомераз ДНК: тип I и тип II. Недавний обзор J. Delgado посвящён детальному анализу каталитического механизма и функций топоизомераз [3]. Топоизомеразы I типа разрывают одну из цепочек дуплексной ДНК, тем самым давая возможность либо прохождению другой цепи ДНК через разрыв, либо вращению нижестоящего дуплекса ДНК вокруг
разрыва с последующим «зашиванием». В результате они изменяют степень спирализации на 1 шаг [1-4]. Известны три подтипа топоизомераз I типа: 1А, 1В и 1С. Для топоизомераз подтипа 1А требуется «ник» (одноцепочечный разрыв) для связывания с ДНК. Они расщепляют одну из нитей дуплексной ДНК, ковалентно присоединяются тирозином активного центра к 5'-фосфорильной группе и используют механизм «нитевого прохода» для изменения топологии ДНК. Топоизомеразы типа 1В и 1С расщепляют одну нить дуплексной ДНК, ковалентно присоединяются тирозином активного центра к 3'-фос-форильной группе и используют «вращающийся» механизм для релаксации суперспиралей ДНК. Бактериальные топоизомераза 1 (Тор1) и топоизомераза 3 (Тор3) относятся к топоизомеразам типа 1А. Когда
оригинальные статьи
топоизомеразы II типа расщепляют две цепи ДНК, они образуют фосфотирозильные связи между двумя тирозинами активного сайта и парой 5'-фосфатов для обеспечения целостности ДНК. Существует два подтипа топоизомераз II типа: IIA и IIB. Топоизоме-раза 6 относится к подтипу IIB, тогда как остальные известные топоизомеразы II типа относятся к подтипу IIA. Каждый подтип топоизомеразы структурно и функционально консервативен и образует одно семейство белков [1].
После открытия ДНК-гиразы она была идентифицирована как клеточная мишень кумариновых и хинолоновых антибактериальных препаратов. С этого момента топоизомеразы ДНК, особенно то-поизомеразы типа IIA, признаны в качестве терапевтических мишеней многих противоопухолевых и антибактериальных препаратов [5, 6]. Для нескольких антибактериальных препаратов, включая фторхинолоны, мишенью являются топоизомеразы бактерий типа IIA, ДНК-гираза и топоизомераза 4 (Тор4). Как Topi (hTopl), так и две изоформы топоизомеразы 2 (hTop2) человека являются клеточными мишенями клинически значимых противоопухолевых препаратов. Большое количество малых молекул идентифицировано как ингибиторы hTopi или hTop2. Многие из них были протестированы в клинических испытаниях, но лишь некоторые из них показали клинический успех. Манипулирование ферментативной активностью для достижения терапевтического эффекта осуществляется тремя путями: 1) подавлением активности фермента каталитическими ингибиторами; 2) повышением активности фермента в отношении разрыва ДНК; 3) превращением фермента в агент, токсичный для клеток. Многие клинически успешные ингибиторы hTopi и hTop2, а также ингибиторы топоизомеразы бактериального типа IIA используют 3-й механизм, который часто называют топоизомеразным отравлением [6]. Эти «топоизомеразные яды» превращают топоизомеразу в клеточный яд путём связывания с образующимся в процессе катализа промежуточным соединением топоизомераза-ДНК (топоизомераза присоединяется к ДНК ковалентно) с образованием тройного комплекса топоизомераза/лекарственное вещество/ ДНК. «Отравление» топоизомеразы часто вызвано ингибированием реакции повторного лигирования фермент успевает разорвать ДНК, но не может её повторно связать, что подтверждается структурными исследованиями тройных комплексов топоизоме-раза/лекарственное вещество/ДНК [3]. Однако некоторые топоизомеразные яды, включая спонтанно повреждающие ДНК фторхинолоны, стимулируют реакцию разрыва цепи. Таким образом, 2-й механизм, по-видимому, используется некоторыми ингибиторами топоизомеразы для превращения своей мишени в токсин (отравление). Формирование тройного комплекса вызывает цитотоксические события, которые включают торможение репликации ДНК, генерацию двунитевых разрывов (double-strand breaks, DSB) и последующую гибель клеток [6]. Каталитические ингибиторы, инактивировавшие hTopi либо hTop2 по механизму 1, не имели большого успеха в клинических исследованиях. Одно из возможных объяснений заключается в том, что повышенные уровни топоизомераз в опухолевых клетках снижают эффективность ингибиторов ферментов. Вместе
с тем высокие уровни топоизомераз повышают эффективность топоизомеразных ядов. Недавно были обнаружены новые хинолоны, которые ингибируют одновременно как hTopl, так и hTop2, не «отравляя» их [7]. Эти соединения продемонстрировали многообещающую противоопухолевую активность in vitro и in vivo. Таким образом, каталитические ингибиторы, способные ингибировать множественные топо-изомеразы человека, могут иметь перспективу мощных противоопухолевых лекарственных средств. Разработка модуляторов активности ферментов выигрывает от детального понимания каталитических механизмов целевых ферментов.
Структурная биология топоизомераз оказалась особенно полезной для выяснения не только каталитических механизмов ферментов, но и проверки действия клинически важных лекарств, для которых эти эссенциальные ферменты являются специфическими мишенями [8, 9]. В дополнение к а- и ß-формам hTop2, топоизомеразам типа IIA и двум топоизоме-разам типа IB, обнаруженным в ядре (hTopl) и митохондриях (mTopl), клетки человека также имеют две изоформы Top3 (hTop3a и hTop3ß), топоизомеразы типа IA [1]. Однако о существовании ингибиторов Top3 пока сведений нет.
Клеточные функции топоизомераз
Топоизомеразы типа IB
Шарнирная функция эукариотической Тор1 имеет большое значение для удаления сверхспирального напряжения ДНК (репликация и транскрипция) [9]. Интересно, что присутствие Topl (но не её каталитическая активность) необходимо для активации транскрипции; однако в случае Top2ß для транскрипции необходима её топоизомеразная активность. В клетках человека активность hTopl и РНК-полимеразы II взаимосвязаны [10]. Исследования влияния камп-тотецина, яда Topl, показали, что для эффективной экспрессии длинных генов необходимы как Top1, так и Top2ß. mTopl - единственная топоизомера-за, встречающаяся исключительно в митохондриях [ll, l2]. Однако в митохондриях обнаружена также длинная изоформа Тор3а, синтезируемая в результате альтернативной трансляции с вышерасположенным сайтом инициации, а также Top2a и Top2ß. mTopl играет важную роль в транскрипции и репликации кольцевой митохондриальной ДНК [l3]. Хотя клеткам удаётся выживать в отсутствие mTopl, потеря её сильно влияет на целостность митохондрий и энергетический обмен [l4, l5]; однако присутствие Top3a в митохондриях, вероятно, способствует этому выживанию.
Топоизомеразы типа IIA
ДНК-гираза является единственной топоизомера-зой, способной вводить отрицательные суперспирали [l6], в то время как Тор4 ответственна в первую очередь за декартирование (отсоединение) дочерних хромосом. Бактериальная хромосома поддерживается в виде определённой отрицательной суперспирали за счёт баланса между релаксационной активностью Topl и сверхспирализующей активностью ДНК-гиразы. Низшие эукариоты имеют только топо-изомеразу типа IIA - Тор2, структура и функция которой аналогичны таковым Top4 (Top4 и Top2 отли-
чаются по своим C-терминальным доменам). Одно явное различие между топоизомеразами бактериальных и эукариотических типов IIA заключается в том, что бактериальные ферменты являются гетеротетра-мерами A2B2, тогда как эукариотические ферменты являются гомодимерами.
Показано, что топоизомеразы бактериального типа IIA сохраняют активность, когда две субъединицы соединены в один пептид. Доказано, что ге-теротетрамерная топоизомераза типа II может быть превращена в гомоизомерную топоизомеразу типа II путём слияния генов. В отличие от низших эукариот, млекопитающие имеют две изоформы Top2: Top2a и Top2ß. Эти изоформы имеют примерно 70% сходства аминокислотной последовательности и проявляют сходную каталитическую активность, но выполняют различные клеточные функции. Top2a требуется для репликации ДНК и сегрегации хромосом, и её экспрессия значительно повышается, в том числе в опухолевых клетках. Считается, что hTop2a служит биомаркёром для некоторых опухолей, а Top2ß играет критическую роль в транскрипции всех видов клеток, в том числе нейронных.
Структурные исследования топоизомераз
Топоизомеразы типа IB
По сравнению с релаксированной ДНК, которая находится в энергетически низшей конформации, положительно или отрицательно свёрнутые молекулы ДНК находятся в более высоких энергетических состояниях из-за существования торсионных деформаций в этих структурах. В простом трёхэтап-ном процессе, который не требует дополнительной энергии, топоизомеразы типа IB эффективно накапливают свободную энергию, хранящуюся в виде суперспиралей ДНК, необходимую для того, чтобы вернуть эти энергетически напряжённые молекулы ДНК в их расслабленные формы. Доказано, что эта реакция релаксации начинается с каталитической тирозин-опосредованной нуклеофильной атаки на химически неустойчивую фосфодиэфирную связь в дуплексе ДНК, что приводит к образованию переходного одноцепочечного разрыва, состоящего из З'-связанной фосфотирозильной связи и свободного 5'-OH конца. Напряжение, возникающее в результате сверхспирализации ДНК, может рассеиваться посредством вращения молекулы ДНК вокруг разрыва (рис. 1, см. 2-ю полосу вклейки).
Существует много доказанных и предположительных объяснений действия топоизомераз. Например, расщеплённая фосфодиэфирная связь восстанавливается, и тирозин каталитического центра регенерирует, возвращая фермент в исходное состояние для следующей реакции релаксации. Структурный анализ hTopl в ковалентных и нековалентных комплексах с ДНК позволяет предположить, что постулированное вращение ДНК во время каталитического цикла, вероятно, достигается с помощью «механизма управляемого вращения». Каталитическое ядро топоизомераз типа IB состоит из домена Cap и каталитического (CAT) домена, который был впервые обнаружен в тирозиновых рекомбиназах, и эти два домена зажимают ДНК-дуплекс выше сайта расщепления. ДНК, находящаяся выше одноцепочечно-го разрыва (перед ним), крепко связана посредством
original articles
ДНК-белковых взаимодействий в нескольких сайтах между ядром Topl и ДНК - прежде всего, фосфатным скелетом ДНК, и, следовательно, не может вращаться. Напротив, ДНК, расположенная ниже сайта разрыва (нисходящая), слабо удерживается головной частью Сар-домена и линкерных областей домена CAT. По-видимому, это слабое поверхностное соприкосновение белок-ДНК может быть легко разрушено сохраняющимся суперспиральным натяжением, и нижерасположенная ДНК может затем вращаться вокруг места расщепления одним или несколькими витками, пока все торсионные напряжения не будут ослаблены или разрыв не будет повторно закрыт. Учитывая ограниченное количество ДНК-взаимодействующих аминокислотных остатков, можно подумать, что фермент не способен захватывать нисходящую ДНК в присутствии высокого сверхспирального напряжения. Тем не менее этот интерфейс может быть восстановлен при более низкой суперспиральной плотности, которая останавливает вращающуюся ДНК и помещает 5'-ОН в благоприятное положение для участия в реакции повторного лигирования. Вращение и ориентация нисходящей ДНК контролируются ферментом, в отличие от случайного вращения, что усложняло бы повторное лигирование. Топоизомеразы типов IA, IB и IIA имеют различную потребность в ионах Mg2+ для реализации их каталитической активности. Топоизомера-зы типа IB не нуждаются в двухвалентном катионе для проявления своей активности, и объяснить это помог структурный анализ ковалентного комплекса фермент-ДНК. Известно, что реакция переэтерифи-кации, катализируемая топоизомеразами, протекает через высокоэнергетическое бипирамидное переходное состояние, в котором два оксианиона присоединены к пятивалентному фосфору. Топоизомеразы типа IA и IIA используют Mg2+ в качестве важного кофактора для электростатической стабилизации переходного состояния, тогда как топоизомеразы типа IB и члены семейства тирозин-рекомбиназы используют для этой цели положительно заряженные остатки Arg и Lys.
Типоизомеразы типа IIA
Ещё до того, как появилась первая кристаллографическая визуализация топоизомераз типа IIA, в серии изящных биохимических исследований было установлено, что топоизомеразы типа II изменяют степень спирализации ДНК через механизм «двойных ворот». Каталитический цикл топоизо-мераз типа IIA начинается со связывания фермента с G-сегментом ДНК - процесс, соответствующий сборке так называемых «ворот» ДНК [3].
Известна динамика таких процессов. Формирование, например, бинарного комплекса топоизомераза-ДНК позволяет обеим цепям G-сегмента расщепляться в Mg^-зависимой реакции переэтерификации, происходящей между остатками тирозина и фосфо-диэфирными связями ДНК-цепи, что создаёт обратимый двухцепочечный разрыв (DSB) в G-сегменте. Подходящий Т-сегмент приближается к «воротам» ДНК, проходя через вход, расположенный на одном конце топоизомеразы типа IIA (N-терминальный конец эукариотической Тор2), и двигаясь вдоль «пути для ДНК» для достижения своей поверхности связывания. Пройдя через «входные ворота» ДНК,
оригинальные статьи
Т-сегмент направляется к «выходным воротам» на другом конце топоизомеразы (С-концевой конец для эукариотической Тор2) и в конечном счёте выходит сквозь них [1]. Этот режим однонаправленного переноса ДНК называется «двухзатворным», или механизмом «двойных ворот», поскольку вход и выход Т-сегмента опосредуется через два отдельных белковых затвора топоизомеразы типа 11А. Данный процесс является АТФ-зависимым, что обеспечивается наличием АТФазного домена в структуре топоизо-мераз типа II [17].
Механизмы блокирования топоизомеразы типа Ш
hTop1 представляет собой клеточную мишень хинолинового алкалоида камптотецина и его клинически активных производных - топотекана и иринотекана. Подобно Тор2-ядам, они захватывают ковалентный комплекс Тор1-ДНК и превращают фермент в цитотоксический ковалентно связанный аддукт белка и ДНК, что вызывает ингибирование репликации ДНК и генерацию двунитевых разрывов (DSB). Кристаллические структуры камптоте-цин- и топотекан-связанных ковалентных комплексов фермент-ДНК выявили интеркаляцию молекулы лекарственного вещества между расщеплёнными концами ДНК. В частности, А^-кольца их пентациклической структуры укладываются против пары оснований, на конце сайта разрыва цепи, и азот хинолина В-кольца и полярные/заряженные группы Е-кольца образуют водородные связи или солевые мостики с соседними аминокислотными остатками. Реакция Тор1-катализируемой релаксации также нарушена, поскольку взаимодействия между связанным лекарственным средством и парой 5'-оснований вокруг расщепляющегося фосфата будут увеличивать энергетический порог для вращения ДНК [17].
Некамптотециновые ингибиторы топоизомераз
Противоопухолевые агенты индолокарбазолы и инденоизохинолины также действуют как hTop1-яды [16]. Вместе с тем ветвящиеся группы образуют отличные от камптотецина химиотипически специфичные взаимодействия с белком. В совокупности наблюдаемые изменения структуры белка и взаимодействующих с различными лекарственными веществами аминокислотных остатков показали ландшафт и эластичность карманов, связывающихся с лекарственным веществом. Данная информация должна способствовать разработке новых ингибиторов топоизомеразы типа 1В.
Интересно, что до сих пор не сообщалось о каталитическом ингибиторе топоизомераз типа 1В. Структура hTop1 в комплексе с ДНК-дуплексом, содержащим 8-оксогуаниновое повреждение, предполагает, что фермент может принимать неактивную конформацию, в которой каталитический тирозин оказывается вне активного сайта. Любые соединения, которые связывают и стабилизируют это кон-формационное состояние hTop1, могут действовать как эффективные каталитические ингибиторы. Однако клиническую значимость разработки таких ингибиторов hTop1 ещё предстоит выяснить. Поиски некамптотециновых ингибиторов как для hTop1, так и для hTop2 ведутся среди самых разнообразных хи-
мических структур. В настоящее время анализ литературы позволяет выявить следующие тенденции в поиске новых химических структур ингибиторов: фторхинолоны, индолохинолины, нафтохиноны, хальконы (в том числе растительного происхождения), бензальдегиды, имидазопиридины, гетероциклические конденсированные азотсодержащие соединения. Последние включают уже известные активно использующиеся производные фенантролина, для которых, таким образом, был уточнён механизм действия, а также нуклеозидные ингибиторы топо-изомеразы, производные бензотиазола, антрафуран-дионы. Приведённый перечень основных химических групп является далеко не полным, однако полный охват имеющейся литературы выходит за рамки данного обзора, поэтому мы приносим извинения тем авторам, чьим работам мы не смогли уделить достаточно внимания.
Фторхинолоны
В работе Т. Kloskowski и соавт. для известного антибиотика ципрофлоксацина был выявлен цитоста-тический эффект, однако только против клеточной линии рака лёгкого человека А549. При этом клеточный цикл А549 останавливался в фазе G2/M, что указывает на механизм действия, связанный с инги-бированием топоизомеразы II. Выявленные биологические эффекты ципрофлоксацина подтверждают гипотезу о том, что этот препарат может использоваться в адъювантной терапии для лечения рака лёгких благодаря его способности ингибировать топо-изомеразы II типа [18].
В работе У-С. Ма и соавт. сообщается об агенте HMNE3 - новом бис-фторхинолоновом халькон-подобном производном, которое оказывает двоякое ингибирующее действие в отношении не только топоизомеразы II, но и тирозинкиназы, и индуцирует торможение роста и пролиферации опухолевых клеток [19]. Активность топоизомеразы 2 измеряли с использованием электрофореза в агарозном геле с плазмидой ДНК рВЮ22 в качестве субстрата. Обработка клеточных линий аденокарцином поджелудочной железы человека Сарап-1 или Рапс-1 агентом НМЖ3 в концентрации 1,6-3,2 мкМ в течение 48 ч привела к значительному увеличению числа апопто-тических клеток (р < 0,05). По сравнению с контролем НМКЕ3 индуцировал повышенную экспрессию белков, связанных с индукцией апоптоза. Одновременно с этим отмечалось снижение активности ти-розинкиназы в Сарап-1 при Ю50 0,64 ± 0,34 мкМ и в Рапс-1 при ГС50 3,10 ± 0,86 мкМ. Также было отмечено дозо- и времязависимое ингибирование активности с^гс в этих клеточных линиях. В соответствии с данными об апоптозе после обработки НМ№3 в течение 24 ч отмечалось значительное снижение активности Тор2р. Суммируя полученные данные, можно считать, что НММЕ3 индуцировал апоптоз в клетках Сарап-1 и Рапс-1, ингибируя активность тирозинкиназы и Тор2.
В недавнем исследовании [20] авторы продемонстрировали молекулярный докинг тринадцати фтор-хинолонов с человеческой Тор2а и Тор2р. Фторхино-лоны являются антибактериальными антибиотиками широкого спектра действия и очень эффективны против различных бактериальных инфекций. Некоторые из фторхинолонов, такие как моксифлоксацин, ока-
зывают противогрибковое действие, а также обладают противоопухолевой активностью. Моксифлокса-цин образует комплексы с Тор2а и ответственен за прекращение репликации ДНК. Исследования молекулярной стыковки показали, что фторхинолоны образуют водородную связь и обладают хорошей аффинностью связывания с Top2a и Top2p человека. Следовательно, фторхинолоны могут ингибировать активность фермента топоизомеразы путём связывания на её активном участке.
Предполагается, что офлоксацин, спарфлокса-цин, ципрофлоксацин и моксифлоксацин являются самыми мощными ингибиторами среди тринадцати изученных фторхинолонов. В связывании Top2a с фторхинолонами участвуют остатки аминокислот Gln773, Asn770, Lys723 и Trp931, в то время как в связывании Top20 с фторхинолонами участвуют аминокислотные остатки AspO79, Ser480, Arg820, Arg503, Lys456 и Gln778. Исследователи предполагают, что фторхинолоны могут быть ингибиторами ДНК-топоизомеразы II и, следовательно, могут быть использованы в качестве противоопухолевых препаратов. 3-хлорметилен-6-фтортиохроман-4-он (CMFT) представляет собой новое производное тио-хроманонов, которое обладает противоопухолевой активностью.
Y. Wang и соавт. сравнили противоопухолевую активность цис- и транс-изомеров и исследовали их ингибирующее действие на топоизомеразу I и топо-изомеразу II человека в бесклеточной системе [21]. Ингибирование CMFT Topl и Top2 можно было идентифицировать путём добавления растворов CMFT в реакционные смеси топоизомераза-ДНК и наблюдения относительных количеств релаксиро-ванных нитей и суперспиралей при электрофоре-тическом анализе. Результаты показали, что CMFT обладает ярко выраженной противоопухолевой активностью в низких концентрациях, при этом активность транс-изомера CMFT выше. Показано также, что CMFT индуцирует апоптоз. Анализы релаксации ДНК, а также анализы её расщепления и повторного лигирования продемонстрировали высокий потенциал взаимодействия с Topl и Top2, подтвердив, что CMFT является Top-ядом, что может быть одним из механизмов индукции апоптоза клеток.
Индолохинолины
Криптолепин (CRP) - встречающийся в природе индолохинолиновый алкалоид (выделенный из корней Cryptolepis sanguinolenta семейства Periplocaceae) - противомалярийный препарат, применяемый в Центральной и Западной Африке. H.C. Pal и соавт. [22] изучили влияние криптолепина на рост немеланомных опухолевых клеток кожи человека (NMSCC) SCC-13 и A431 и механизм его действия. Клетки SCC-13 и A431 экспрессируют топоизомеразы (Topl и Top2) в более высоких концентрациях. Их активность по сравнению с нормальными эпидермальными клетками человека также повышена. Обработка клеток криптолепином (2,5; 5,0 и 7,5 мкМ) в течение 24 ч приводила к заметному снижению активности топоизомеразы, ассоциированному с существенным повреждением ДНК, которое было обнаружено с помощью метода ДНК-комет. Все эти изменения в NMSCC под действием крип-толепина приводили к значительному уменьшению
original articles
жизнеспособности клеток, снижению колониеобра-зования и индукции апоптоза. Криптолепин индуцировал повреждение ДНК, приводившее к увеличению фосфорилирования ATM/ATR, BRCA1, Chkl/ Chk2 и yH2AX, активации сигнального каскада p53, включая усиление экспрессии белков p16 и p21, ин-гибированию циклинзависимых киназ, циклинов D1, A, E и белков, участвующих в делении клеток (например, Cdc25a и Cdc25b), что приводило к остановке клеточного цикла в S-фазе. Кроме того, нарушался мембранный потенциал митохондрий и происходило высвобождение цитохрома С.
Нафтохиноны
Среди нафтохинонов особое внимание в последние годы уделяется исследователями лапахолу и его производным. Лапахол (4-гидрокси-3-(3-метилбут-2-енил)нафтален-1,2-дион) представляет собой на-фтохинон, выделенный из многих видов семейства Bignoniaceae, произрастающих в Центральной и Южной Америке [23]. На опухолевых моделях лапахол изучали с 1970-х годов. Цитотоксичность лапахола и его производных была оценена на различных культурах клеток, а также на нескольких моделях перевиваемых опухолей мышей. Лапахол проявил значительное ингибирующее действие на рост глиомы C6 у крыс линии Wistar (р < 0,05) in vitro и in vivo. Показано также, что ингибирование пролиферации, индукция апоптоза и повреждение ДНК зависят от концентрации лапахола [24]. Влияние лапахола на Тор1 и Тор2 обнаружено при анализе релаксации суперспиральной ДНК плазмиды pBR322, опосредованной Тор1 и Тор2, а также в исследовании молекулярного докинга. Выявлено, что лапахол может ингибировать активность как Тор1, так и Тор2. В случае ингибирования Тор2 механизм действия лапахола аналогичен таковому у этопо-зида. Кроме того, лапахол снижает уровни экспрессии Тор2, хотя не влияет на экспрессию Тор1. По мнению исследователей, цитотоксичность ла-пахола может быть опосредована его влиянием на топоизомеразы.
H. Xu и соавт. синтезировали и изучили амино-производные лапахола [23]. В этом ряду наиболее перспективным оказалось соединение 3а с пропиле-новым заместителем в аминогруппе, показавшее значимую цитотоксичность для клеточных линий С6, LoVo, карциномы Эрлиха и К562, IC50 = 3,7-7,0 мкМ [23-25]. Была разработана и синтезирована серия новых производных лапахола, имеющих индольные каркасы [26, 27]. Антипролиферативная активность этих новых соединений in vitro оценивалась на клеточных линиях Eca109 и Hela. Почти все исследованные соединения проявили сильную ингибирующую активность в отношении двух испытуемых линий опухолевых клеток. Тест на Topl-опосредованную активность релаксации ДНК показал, что эти новые соединения обладают мощным ингибирующим действием в отношении Topl. Самые активные в этом отношении соединения 4n и 4k продемонстрировали более высокую цитотоксичность, чем камптоте-цин, и сравнимое с камптотецином ингибирование Topl при концентрации 25 мкМ. Кроме того, методом окрашивания Hoechst 33342 также было показано, что эти вещества могут индуцировать апоптоз клеток Hela.
оригинальные статьи
Хальконы
K. Jeon и соавт. разработали и синтезировали 22 гетероароматических циклических эпоксид- или тио-эпоксидзамещённых производных халькона [24]. В тесте ингибирования Тор1 соединение 1 было наиболее активным, но менее активным по сравнению с камптотецином. Соединения 9, 11 и 13 ингибиро-вали функцию Тор2 сильнее, чем этопозид: ингиби-рование около 90 и 30% против 72 и 18% при 100 и 20 мкМ соответственно. В цитотоксическом тесте на клетках рака молочной железы человека было показано, что соединение 9 при IC50 6,61 ± 0,21мкМ ин-гибирует рост линии T47D, а соединение 13 при IC50 4,32 ± 0,18 мкМ эффективно подавляет рост клеток линии MDA-MB468.
Бензальдегиды
В исследовании на клетках аденокарциномы лёгкого человека A549 показано, что куминальдегид подавляет пролиферацию, индуцирует апоптоз и образование лизосом с увеличением объёма кислых компартментов, подавляет активность Тор1 и Тор2, а также активность теломеразы в зависимости от концентрации. Подобные эффекты были обнаружены и на других линиях клеток, включая плоскоклеточный рак лёгкого человека NCI-H520 и аденокарциному толстой кишки C0L0205. Кроме того, куминальдегид эффективно ингибировал рост опухолей человека in vivo на модели мышей Nude. Авторы сделали вывод о том, что куминальдегид может быть потенциальным агентом для противоопухолевой терапии [28].
Имидазопиридины
Синтезирован ряд имидазопиридинил-1,3,4-оксадиазольных конъюгатов и исследована их ци-тотоксичность. Оказалось, что соединение 8q (NSC: 763639) было значимо активно на панели различных клеточных линий опухолей человека NCI-60 (США) (1С50 = 1,30 ± 5,64 мкм). Проточный цитометрический анализ показал, что соединение 8q останавливает клеточный цикл линии A549 в фазе суб^ с последующей индукцией апоптоза. Это было дополнительно подтверждено с помощью V-FITC, Hoechst-ядерного окрашивания, выявления активации каспазы 3, измерения потенциала митохондриальной мембраны и детекции генерации АФК. Результаты анализа Top2-опосредованной релаксации ДНК показали, что конъ-югат 8q может значительно ингибировать активность Top2. В молекулярно-докинговых исследованиях были выявлены механизмы связывания с ферментом топоизомеразой (PDBID 1ZXN) [29].
Гетероциклические конденсированные азотсодержащие соединения
В работе I. Riddell и соавт. противоопухолевый агент фенантриплатин - ^ис-^(КН3)2(фенантридин) Cl](NO3) проявил себя как яд Top2 в дополнение к его известным механизмам действия - ингибирова-нию ДНК- и РНК-полимеразы. Его эффективность основана на сочетании различных путей ингибиро-вания пролиферации. При этом повреждения типа образования ковалентного комплекса ДНК-платина отличаются от тех, которые генерируются известными токсинами топоизомеразы. Последние обычно оказывают своё действие путём интеркаляции в месте расщепления фермента. Выявление этого
феномена в отношении Top2 открывает возможность разработки неклассических противоопухолевых агентов, способных преодолевать лекарственную резистентность [30].
Приложено много усилий, направленных на разработку двойных ингибиторов Topl/Top2, которые проявляют высокую цитотоксичность и высокое сродство к обоим ферментам. В связи с этим было показано, что полное уничтожение топоизомеразных процессов в опухолевой клетке является чрезвычайно эффективным in vitro и in vivo для широкого спектра опухолей. Впоследствии двойные ингибиторы Topl/Top2 были оценены в клинических испытаниях фазы I/II: пиразолоакридин (PZA), бензопиридоин-дольн-интоплицин, производные феназина XRll576 и XR594, батрацилин и инденохинолинон TAS-l03, а также этопозидное производное тафлупозида гомо-камптотецинэломотекан [3l]. Хотя в доклинических исследованиях продемонстрирована перспективность этих производных, их эффективность пока не подтвердилась в клинике.
Известно, что природные бензо[с]фенантри-диновые алкалоиды обладают широким спектром фармакологической активности [30]. Среди них четвертичные аммониевые соли фагаронина и нитидин проявляют умеренную двойную токсическую активность в отношении топоизомераз I и II типов. В середине 1990-х годов был найден лёгкий и простой путь синтеза других аналогов, например ll-замещённых 6-аминобензо[с]-фенантридинов. С. Meier и соавт. описывают пиридо[3,4-с][!,9]фенантролин (P8-D6) как мощный индуктор апоптоза, вызванного эквипо-тентным ингибированием активности топоизомераз l и 2 человека [30].
P8-D6 оказался активным против всех типов опухолей панели NCI-60. Вещество показало необыкновенно высокую общую цитотоксическую активность: средняя IC50 для всех протестированных линий составила 49 нм, что сопоставимо с таковой у камптотецина. Его ингибирующий эффект был в 4-l0 раз выше по сравнению с другими упомянутыми двойными ингибиторами Toр1/Тор2, недавно прошедшими клинические испытания. Особо была отмечена чувствительность к P8-D6 клеток лейкемии и клеток NSCLC (немелкоклеточный рак лёгкого). P8-D6 обладает способностью ингибировать каталитическую активность топоизомераз I и II типа в низких микромолярных концентрациях in vitro. Существенной разницы между Top2a, которая достигает максимальных уровней белка в G^M-фазе в клетках человека, и Top2ß, которая экспрессируется независимо от пролиферативного статуса и клеточного цикла, не установлено [3l].
Ещё одним классом в этой категории веществ являются акридины. Разработкам препаратов на их основе посвящён недавний фундаментальный обзор Zhang B. и соавт. [32]. Остановимся на некоторых из них, имеющих природное происхождение. Акрони-цин является естественным алкалоидом, выделенным в l948 г. из австралийского дерева Acronchia baueri Schott, принадлежащего семейству Rutaceae. Он оказался активен против множества солидных опухолей. На основе его структуры синтезировано и описано в литературе множество соединений с антипролифера-тивной и антитопоизомеразной активностью.
Пиридоакридины, такие как амфимедин и нео-
амфимедин, которые были выделены из тихоокеанских губок Amphimedon sp. и Xestospongia sp., соответственно обладают Тор2-опосредованной цитоток-сичностью. IC50 неоамфимедина на восьми линиях опухолевых клеток составляла 0,83-7,6 мкМ, в то время как амфимедин не показал цитотоксичности в этой дозе. Кроме того, неоамфимедин проявлял противоопухолевую активность на подкожных ксе-нографтах колоректального рака человека HCT116 у бестимусных (nude) мышей. Показано, что мишенями асцидимина, первоначально полученного из асцидий Didemnum sp., являются Тор2 и ДНК и это определяет его цитотоксичность. Асцидимин также проявляет антимикробную активность против Escherichia coli, Bacillus subtilis, Candida albicans и Cladisporium resi-nae. Триазолоакридон, имидазоакридинон, а также акридин-индольные гибриды также оказывают инги-бирующее действие на топоизомеразы II типа [32].
Нуклеозидные ингибиторы топоизомеразы
На основе нуклеозидов разработаны новые селективные ингибиторы топоизомеразы 2. Показана значимость фрагментов катехиновой природы для проявления ингибирующего действия производных нуклеозидов в отношении топоизомеразы 2. Кроме того, ряд соединений из числа нуклеозидных производных и промежуточных соединений их синтеза, содержащих TBS-группу (tret-butyldimethylsilyl, трет-бутилдиметилсилил) и/или 1,3-дитиановый фрагмент, проявили сравнительно более высокую активность и селективность. В дальнейших экспериментах соединение 25b с ß-конфигурацией тиминового фрагмента показало высокую антипролиферативную активность на 39 из 60 линий опухолевых клеток человека (NCI-60) и было более эффективным, чем его аналог 26b, содержащий тиминовый фрагмент в а-конфигурации. В сравнении с неактивным на этих моделях этопозидом цитотоксичность соединения 15b была значимо выше, IC50 = 8,1 ± 3,2 мкм [33, 34].
Производные бензотиазола
Был синтезирован ряд новых 1-иминоизоиндоли-нов (3a-d) и изоиндолин-1-онов (4a-e), замещённых амидинобензотиазолами (3a-b, 4a-b) и амидинобен-зимидазолами (3c-d, 4c-e) [35]. Серосодержащие производные (3a-b, 4a-b) были малоизбирательны в отношении опухолевых клеток и показали высокую антипролиферативную активность не только в отношении различных карцином (цервикальной HeLa, колоректальной SW620, гепатоцеллюлярной HepG2 и молочной железы MCF-7), но и на диплоидных фибробластах человека BJ. Для наиболее эффективных соединений 4а и 4b анализ клеточного цикла и влияния на активность каспаз показал активацию митохондриального апоптотического пути в результате связывания с ДНК. Амидинзамещённые изоиндолин-1-оны 4a-d были более цитотоксичны по сравнению с амидинзамещёнными 1-иминоиоин-долинами 3a-d. Соединения без амидиновой группы ингибировали рост только клеток MCF-7. Для всех оцениваемых соединений показана ранняя ядерная локализация (после 5-часового лечения). Действительно, несущие положительный заряд амидинзаме-щённые производные 3a-d и 4a-b взаимодействуют с ДНК-спиралью. Напротив, производные 5а^ без амидиногруппы не проявляли ДНК-связывающих
ORIGINAL ARTICLES
свойств, видимо, из-за отсутствия положительного заряда. Соединения 4a-b связывались со спиральной канавкой ДНК (спектры кругового дихроизма) или интеркалировали её (эксперименты по разрыву ДНК, индуцированные топоизомеразой 1). Они действуют как ингибиторы топоизомеразы 2, локализуясь в ядре, что согласуется с их антипролифера-тивной активностью (индукция апоптоза) в субми-кромолярном диапазоне. Для амидинзамещённого производного 1-иминоизоиндолина 3 a антипроли-феративная активность оказалась значительно ниже для всех тестируемых клеточных линий, за исключением MCF-7 (в микромолярном диапазоне). Этот результат стал неожиданностью. Высказано предположение, что ядерная локализация для связывания с канавкой ДНК и интеркалирующий механизм действия, приводящий в эксперименте к выраженному «отравлению» топоизомеразы 1, сходному с кампто-тециновым. Показанные для 3а свойства создают предпосылки для большей цитотоксичности, что может быть следствием неизвестных механизмов действия или инактивации данного соединения.
Амидинзамещённые производные 1-иминоиоин-долина 3b-d проявляли слабую антипролифератив-ную активность, ядерную и цитоплазматическую локализацию и интеркалирующее ДНК-связывание, но соединение 3d показало отсутствие или очень слабое ингибирование топоизомеразы. На этом основании высказано предположение о том, что для проявления как Тор2-отравляющего действия, так и антипроли-феративной активности наибольшее значение имеют структуры типа: изоиндолин-1-он + амидинобензо-тиазол с амидиновой группой [35].
Антрафурандионы
Сравнительно недавно был открыт перспективный класс противоопухолевых ингибиторов топо-изомераз на основе гетероциклических производных антрахинона, в частности производные антра[2,3-Ь]фуран-5,10-диона. Нуклеофильным замещением пропоксигрупп диаминами получена серия 4,11-диаминоантра[2,3-Ь]фуран-5,10-дионов (рис. 2) - аналогов противоопухолевого препарата аметантрон [36, 37]. Исследование антипролифера-тивной активности на широкой панели клеточных линий опухолей млекопитающих показало, что ан-трафурандионы (1, 2) обладают наибольшей активностью среди конденсированных гетероаренантра-цендионов с одним гетероатомом [36, 37]. Идентифицирован ряд соединений, ингибирующих рост опухолевых клеток в субмикромолярных концентрациях. Антра[2,3-Ь]фуран-5,10-дион (2) с дистальны-ми метиламиногруппами оказался высокоактивен против лекарственно-устойчивых клеточных линий с избыточной экспрессией Р-гликопротеина или де-лецией гена р53 [36]. Кроме того, это соединение блокирует in vitro Тор1-опосредованное раскручивание ДНК в низких микромолярных концентрациях. Эти результаты показывают, что антрафурандионы представляют собой новый перспективный класс производных антрахинона со свойствами, потенциально ценными для противоопухолевой терапии.
Позднее была синтезирована и изучена вторая серия 4,11-диаминоантра[2,3-Ь]фуран-5,10-дионов с различными боковыми цепями [37]. От предыдущих аналогов [36] эти соединения отличаются
оригинальные статьи
о иы
р.
2
1 ^"Н, =
2 1^2= ОНд;-
3 ^—Н, Н;
4 ^—ОНд, ОНд-
Рис. 2. Противоопухолевые производные 4,11-диаминоантра[2,3-Ь]фуран-5,10-диона.
отсутствием алкильной группы в фурановом кольце. Такая модификация привела к росту антипролифера-тивной активности производных. Наиболее высокую активность на панели опухолевых клеток млекопитающих, включая варианты с множественной лекарственной устойчивостью, показали 2-незамещённые производные (3, 4), содержащие боковые амино- и ме-тиламиногруппы. Для 4,11-диаминоантра[2,3-Ь]фу-ран-5,10-дионов (1-4) выявлены множественные механизмы цитотоксичности, включая ингибирова-ние Тор1/Тор2-опосредованной релаксации ДНК, снижение соотношения NAD+/NADH через ингиби-рование tNOX, подавление NAD+-зависимой активности деацетилазы Сиртуин 1 ^ШТ1) и активацию каспазо-опосредованного апоптоза [37]. В этой работе впервые показано, что опухоль-ассоциирован-ные NADH-оксидазы (tNOX) и SIRT1 являются важными клеточными мишенями противоопухолевых антрацен-9,10-дионов. Позднее было обнаружено, что антрафурандион (3) обладает высокой аффинностью к й-квадруплексам из 5'-нетранслируемого участка мРНК транскрипта онкогена KRAS и дозо-зависимо подавляет трансляцию мРНК этого онкогена и синтез его продукта в опухолевых клетках - белка p21KRAS [38].
Другим перспективным химотипом для поиска противоопухолевых ингибиторов топоизомераз являются производные антрафуран-3-карбоксамида. Наиболее изученным соединением этого ряда является антрафуран ЛХТА-2034 (5), отличающийся от предыдущих веществ наличием аминопирролидидкарбонильной группы в положении 3 гетероцикла, а также ги-дроксигрупп в положениях 4, 11 (рис. 3) [39]. Антрафуран ЛХТА-2034 в низких концентрациях ингибирует топоизомера-зы 1 и 2, а также ряд важных для опухолевого роста протеинкиназ (АигВ, Рт). Это соединение обладает высокой активностью в отношении опухолевых клеток с различными фенотипами множественной лекарственной устойчивости и высокой
противоопухолевой эффективностью на прогностически значимых для клиники опухолевых моделях. В 2018 г. описан синтез расширенной серии аналогов ЛХТА-2034, тестирование биологических свойств которой позволило выявить роль функциональных групп в противоопухолевых свойствах антрафуран-3-карбоксамидов [40].
Для улучшения растворимости ЛХТА-2034 в воде были созданы и изучены его комплексы с солюби-лизирующим 2-гидроксипропил-Р-циклодекстрином (HP-PCD) [41]. Взаимодействие ЛХТА-2034сHP-pCD привело к формированию комплекса включения ЛХТА-2034/HP-PCD со стехиометрическим соотношением 1:1. На основе комплекса ЛХТА-2034/ HP-PCD разработан прототип парентеральной лио-филизированной лекарственной композиции с улучшенной по сравнению с субстанцией ЛХТА-2034 (более чем в 10 раз) растворимостью в воде, высокой стабильностью и меньшей «острой» токсичностью при парентеральном применении. Комплекс ЛХТА-2034/HP-pCD показал высокую противоопухолевую эффективность, увеличивая выживаемость мышей с
О
'N4
2
5
Рис. 3. Антрафуранкарбоксамид ЛХТА-2034 (5).
лейкозом P388 до 140%, без достоверных отличий от субстанции ЛХТА-2034 в идентичных схемах применения (30 мг/кг х 5 дней). Кроме того, композиция ЛХТА-2034/HP-pCD эффективна на модели лейкоза с множественной лекарственной устойчивостью P388/ADR, а также на высокометастазирующей в лёгкие меланоме B16/F10 [42].
Заключение
Таким образом, анализ тематической литературы показал, что среди ингибиторов топоизомеразы ведутся интенсивные поиски самых разнообразных лекарственных средств. Исследователи как модифицируют известные базовые структуры, так и синтезируют новые. Открытие Тор-направленного действия у уже известных препаратов, таких как фенантридин, расширяет сведения об их механизме действия. Для выявления ингибирующего действия в отношении топоизомераз применяют методы с использованием плазмидных ДНК. Параллельно изучается цитоток-сическая активность, а также такие показатели, как индукция апоптоза, в том числе путём активации каспаз, изменение митохондриального потенциала, влияние на р53 и другие. Среди агентов, проявляющих свойства ингибиторов топоизомераз, одними из наиболее перспективных для онкологии химических соединений можно считать антрафурандионы, дающие хороший выход активных оригинальных ингибиторов. Особенно важен тот факт, что в РФ осуществляются синтетические и аналитические исследования этого ряда, лежащие в основе разработки лекарственных субстанций и их оптимальных лекарственных форм. Всё вышесказанное позволяет заключить, что исследования в данном направлении чрезвычайно актуальны и востребованы. Прогностически значимые данные, полученные в ходе доклинических исследований, позволяют надеяться, что созданные противоопухолевые средства проявят высокую эффективность при клинических испытаниях.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
REFERENCES/ЛИТЕРАТУРА
1. Chen S.H., Chan N.L., Hsieh Т. New mechanistic and functional insights into DNA topoisomerases. Annu. Rev. Biochem. 2013; 82: 139-70. DOI: 10.1146/annurev-biochem-061809-100002
2. Pommier Y., Sun Y., Huang, S.N., Nitiss J.L. Roles of eukaryotic topoisomerases in transcription, replication and genomic stability. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2016; 17: 703-21. DOI: 10.1038/nrm.2016.111
3. Delgado J.L., Hsieh C.M., Chan N.L., Hiasa H. Topoisomerases as anticancer targets. Biochem. J. 2018; 475(2): 373-98. DOI: 10.1042/BCJ20160583
4. Pommier Y. Drugging topoisomerases: lessons and challenges. ACS Chem. Biol. 2013; 8: 82-95. DOI: 10.1021/cb300648v
5. Aldred K.J., Kerns R.J., Osheroff N. Mechanism of quinolone action and resistance. Biochem. 2014; 53(10): 1565-74. DOI: 10.1021/bi5000564
6. Hiasa H. DNA topoisomerases as targets for antibacterial agents. Method. Mol. Biol. 2018; 1703: 47-62. DOI: 10.1007/978-1-4939-7459-7_3
7. Kerns R.J., Towle T.R., Hiasa H. Quinolone-based Compounds
ORIGINAL ARTICLES
with Anticancer Activity. Drugs. 2016; 76(13): 1245-55. PCT Application No. PCT/US2017/065448.-2017.
8. Wu C.C., Li Y. C. Wang Y.R., Li T.K., Chan N.L. On the structural basis and design guidelines for type II topoisomerase-targeting anticancer drugs. Nucleic Acids Res. 2013; 41(22): 10630-40. DOI: 10.1093/nar/gkt828
9. Ehmann D.E., Lahiri S.D. Novel compounds targeting bacterial DNA topoisomerase/DNA gyrase. Curr. Opin. Pharmacol. 2014; 18: 76-83. DOI: 10.1016/j.coph.2014.09.007
10. Baranello L., Wojtowicz D., Cui K., Devaiah B.N., Chung H.J., Chan-Salis K.Y. et al. RNA polymerase II regulates topoisome-rase 1 activity to favor efficient transcription. Cell. 2016; 165(2): 357-71. DOI: 10.1016/j.cell.2016.02.036
11. Solier S., Ryan M.C., Martin S.E., Varma S., Kohn K.W., Liu H. et al. Transcription poisoning by topoisomerase I is controlled by gene length, splice sites, and miR-142-3p. Cancer Res. 2013; 73: 4830-9. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-12-3504
12. King I.F, Yandava C.N, Mabb A.M., Hsiao J.S., Huang H.-S., Pearson B.L. et al. Topoisomerases facilitate transcription of long genes linked to autism. Nature. 2013; 501: 58-62. DOI: 10.1038/ nature12504
13. Sobek S., Dalla Rosa I., Pommier Y., Bornholz B., Kalfalah F., Zhang H. et al. Negative regulation of mitochondrial transcription by mitochondrial topoisomerase I. Nucleic Acids Res. 2013; 41: 9848-57. DOI: 10.1093/nar/gkt768
14. Douarre C., Sourbier C., Dalla Rosa I., Brata Das B., Redon C.E., Zhang H. et al. Mitochondrial topoisomerase I is critical for mi-tochondrial integrity and cellular energy metabolism. PLoS ONE. 2012; 7: e41094. DOI: 10.1371/journal.pone.0041094
15. Khiati S., Baechler S.A., Factor V.M., Zhang H., Huang S.-y.N., Dalla Rosa I. et al. Lack of mitochondrial topoisomerase I (TOP1mt) impairs liver regeneration. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015; 112: 11282-7. DOI: 10.1073/pnas.1511016112
16. Kummar S., Chen, A., Gutierrez M., Pfister T.D., Wang, L., Redon C. et al. Clinical and pharmacologic evaluation of two dosing schedules of indotecan (LMP400), a novel indenoisoquinoline, in patients with advanced solid tumors. Cancer Chemother. Pharmacol. 2016; 78: 73-81. DOI: 10.1007/s00280-016-2998-6
17. Schmidt B.H., Osheroff N., Berger J.M. Structure of a topoisomerase II-DNA-nucleotide complex reveals a new control mechanism for ATPase activity. Nat. Struct. Mol. Biol. 2012; 19: 1147-54. DOI: 10.1038/nsmb.2388
18. Kloskowski T., Gurtowska N., Olkowska J., Nowak, J.M., Ada-mowicz J., Tworkiewicz J., D^bski R., Grzanka A., Drewa T. Ciprofloxacin is a potential topoisomerase II inhibitor for the treatment of NSCLC. Int. J. Oncol. 2012; 41(6): 1943-9. DOI: 10.3892/ijo.2012.1653. Epub 2012 Oct 4.
19. Ma Y.-C., Wang Z.-X., Jin S.-J., Zhang Y.-X., Hu G.-Q., Cui D.-T. et al. Dual Inhibition of Topoisomerase II and Tyrosine Kinases by the Novel Bis-Fluoroquinolone Chalcone-Like Derivative HMNE3 in Human Pancreatic Cancer Cells. PLoS ONE. 2016; 11(10): e0162821. DOI: 10.1371/journal.pone.0162821
20. Jadhav A.K., Karuppayil S.M. Molecular docking studies on thirteen fluoroquinolines with human topoisomerase II a and b. In Silico Pharmacol. 2017; 5(4): 1-4. DOI: 10.1007/s40203-017-0024-2
21. Wang Y., Chen J., Shen R., Yang Ch., Ma Zh., Liu Y. 3-chlorome-thylene-6-fluorothiochroman-4-one, A novel DNA Topoisome-rase poison. Pak. J. Pharm. Sci. 2016; 29 (6 Suppl): 2377-2383. PMID: 28167481.
22. Pal H.C., Katiyar S.K. Cryptolepine, a PlantAlkaloid, Inhibits the Growth of Non-Melanoma Skin Cancer Cells through Inhibition of Topoisomerase and Induction of DNA Damage. Molecules. 2016; 21(12): 1758-64. DOI: 10.3390/molecules21121758
23. Xu H., Chen Q., Wang H., Xu P., Yuan R., Li X., Xue M. Inhibitory effects of lapachol on rat C6 glioma in vitro and in vivo by targeting DNA topoisomerase I and topoisomerase II. J. Exper. Clin. Cancer Res. 2016; 35: 178. DOI: 10.1186/s13046-016-0455-3
24. Jeon K.H., Yu H.B., Kwak S.Y., Kwon Y., Na Y. Synthesis and
OPMmHAflbHblE CTATbM
topoisomerases inhibitory activity of heteroaromatic chalcones. Bioorg. Med. Chem. 2016; 24(22): 5921-8. DOI: 10.1016/j. bmc.2016.09.051. Epub 2016 Sep 21.
25. Fiorito S., Epifano F., Bruyère C., Mathieu V., Kiss R., Genovese S. Growth inhibitory activity for cancer cell lines of lapachol and its natural and semi-synthetic derivatives. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2014; 24: 454-7. DOI: 10.1016/j.bmcl.2013.12.049
26. Sunassee S.N., Veale C.G.L., Shunmoogam-Gounden N., Oso-niyi O., Hendricks D.T., Caira M.R., de la Mare J.-A., Edkins A.L., Pinto A.V., da Silva J. E.N., Davies-Coleman M.T. Cytotoxicity of lapachol, P-lapachone and related synthetic 1,4-naph-thoquinones against oesophageal cancer cells. Eur. J. Med. Chem. 2013; 62: 98-110. DOI: 10.1016/j.ejmech.2012.12.048
27. Zhang C., Qu Y., Niu B. Design, synthesis and biological evaluation of lapachol derivatives possessing indole scaffolds as topo-isomerase I inhibitors. Bioorg. Med. Chem. 2016; 24(22): 57816. DOI: 10.1016/j.bmc.2016.09.034. Epub 2016 Sep 15.
28. Chen T.W., Tsai K.D., Yang S.M., Wong H.Y., Liu Y.H., Cherng J., Chou K.S., Wang Y.T., Cuizon J., Cherng J.M. Discovery of a Novel Anti-Cancer Agent Targeting Both Topoisomerase I & II as Well as Telomerase Activities in Human Lung Adenocarcinoma A549 Cells In Vitro and In Vivo: Cinnamomum verum Component Cuminaldehyde. Curr. Cancer Drug Targets. 2016; 16(9): 796-806. DOI: 10.2174/1568009616666160426125526
29. Rao S.A.V., Vishnu M.V.P.S.V., Reddy N.V.S., Reddy T.S., Shaik S.P., Bagul Ch., Kamal A. Synthesis and biological evaluation of imidazopyridinyl-1,3,4-oxadiazole conjugates as apoptosis inducers and topoisomerase IIa inhibitors. Bioorgan. Chem. 2016; 69: 7-19. DOI: 10.1016/j.bioorg.2016.09.002
30. Riddell I.A., Park G.Y., Agama K., Pommier Y., Lippard S.J. Phenanthriplatin Acts as a Covalent Topoisomerase II Poison. ACS Chem. Biol. 2016; 11(11): 2996-3001. DOI: 10.1021/ acschembio.6b00565
31. Meier C., Steinhauer T.N., Koczian F., Plitzko B., Jarolim K., Gir-reser U., Braig S., Marko D., Vollmar A.M., Clement B. A Dual Topoisomerase Inhibitor of Intense Pro-Apoptotic and Antileuke-mic Nature for Cancer Treatment. Chem. Med. Chem. 2017; 12(5): 347-52. DOI: 10.1002/cmdc.201700026. Epub 2017 Feb 8.
32. Zhang B., Li X., Li B., Gao C., Jiang Y. Acridine and its derivatives: a patent review (2009-2013). Expert Opin. Ther. Pat. 2014; 24(6): 647-64. DOI: 10.1517/13543776.2014.902052
33. Matsumoto H., Yamashita T., Tahara S., Hayakawa Sh., Wada K., Tomiok A. Design, synthesis, and evaluation of DNA topoisome-rase II-targeted nucleosides. Bioorg. Med. Chem. 2018; 26 (8): 1920-8. DOI: 10.1016/j.bmc.2017.06.001
34. Sovic I., Jambon, S., Pavelic S.K., Markova-Car E., Ilic N., De-pauw S., David-Cordonnier M.-H., Karminski-Zamola G. Synthesis, antitumor activity and DNA binding features of benzothi-azolyl and benzimidazolyl substituted isoindolines. Bioorg. Med. Chem. 2018; 26 (8): 1950-60. DOI: 10.1016/j.bmc.2018.02.045
35. Shchekotikhin A.E., Glazunova V.A., Dezhenkova L.G., Shevtso-va E.K., Traven V.F., Balzarini J., Huang H.S., Shtil A.A., Preo-brazhenskaya M.N. The first series of 4,11-bis[(2-aminoethyl)-amino]anthra[2,3-b]furan-5,10-diones: Synthesis and anti-proli-
ferative characteristics. Eur. J. Med. Chem. 2011; 46(1): 423-8. DOI: 10.1016/j.ejmech.2010.11.017. Epub 2010 Nov 19.
36. Tikhomirov A.S., Shchekotikhin A.E., Lee Y.H., Chen Y.A., Yeh C.A., Tatarskiy V.V. Jr, Dezhenkova L.G., Glazunova V.A., Balzarini J., Shtil A.A., Preobrazhenskaya M.N., Chueh P.J. Synthesis and Characterization of 4.11-Diaminoanthra[2,3-b]-furan-5,10-diones: Tumor Cell Apoptosis through tNOX-Modu-lated NAD(+)/NADH Ratio and SIRT1. J. Med. Chem. 2015; 58(24): 9522-34. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.5b00859. Epub 2015 Dec 15.
37. Shchekotikhin A.E., Dezhenkova L.G., Tsvetkov V.B., Luzikov Y.N., Volodina Y.L., Tatarskiy V.V. Jr., Kalinina A.A., Tresha-lin M.I., Treshalina H.M., Romanenko V.I., Kaluzhny, D.N., Kubbutat M., Schols D., Pommier Y., Shtil A.A., Preobrazhen-skaya M.N. Discovery of antitumor anthra[2,3-b]furan-3-car-boxamides: Optimization of synthesis and evaluation of antitumor properties. Eur. J. Med. Chem. 2016; 112: 114-29. DOI: 10.1016/j.ejmech.2016.01.050
38. Miglietta G., Cogoi S., Marinello J., Capranico G., Tikhomirov A.S., Shchekotikhin A.E., Xodo L.E. RNA G-Quadruplexes in Kirsten Ras (KRAS) oncogene as targets for small molecules inhibiting translation. J. Med. Chem. 2017; 60(23): 9448-61. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.7b00622
39. Treshalina H.M., Romanenko V.I., Kaluzhny D.N., Treshalin M.I., Nikitin A.A., Tikhomirov A.S., Shchekotikhin A.E. Development and pharmaceutical evaluation of the anticancer An-thrafuran/Cavitron complex, a prototypic parenteral drug formulation. Eur. J. Pharm. Sci. 2017; 109: 631-7. DOI: 10.1016/j. ejps.2017.09.025
40. Tikhomirov A.S., Lin C.-Y., Volodina Y.L., Dezhenkova L.G., Tatarskiy V.V., Schols D., Shtil A.A., Kaur P., Chueh P. J., Shchekotikhin A.E. New antitumor anthra[2,3-b]furan-3-carboxamides: Synthesis and structure-activity relationship. Eur. J. Med. Chem. 2018; 148: 128-39. DOI: 10.1016/j.ejmech.2018.02.027
41. Shchekotikhin A.E., Treshalina E.M., Treshalin I.D. Oral antineoplastic agents and methods of treatment of oncological diseases. Patent RF №2639479. 2017. http://www.findpatent. ru/patent/263/2639479.html. (in Russian)/ Щекотихин А.Е., Трещалина Е.М., Трещалин И.Д. Пероральные противоопухолевые средства и способы лечения онкологических заболеваний. Патент РФ № 2639479. 2017. http://www.findpatent.ru/ patent/263/2639479.html.
42. Pereverzeva E.R., Treshalin M.I., Eremkin N.V., Shekotikhin A.E., Treshalin I.D. Toxicological characteristics of the new antitumoral multitarget preparation antrafuran. Rossijskij biotera-pevticheskij zhurnal. 2017; 16 (4): 80-4. DOI: 10.17650/17269784-2017-16-4-80-84. (in Russian)/ Переверзева Э.Р., Трещалин М.И., Еремкин Н.В., Щекотихин А.Е., Трещалин И.Д. Токсикологическая характеристика нового противоопухолевого мультитаргетного препарата антрафуран. Российский биотерапевтический журнал. 2017; 16 (4): 80-4. DOI: 10.17650/1726-9784-2017-16-4-80-84
Поступила 23.04.18 Принята к печати 17.05.18
