Введение

Эра химиотерапии рака началась в 1940-х годах с первого применения азотистых ипритов и препаратов, блокирующих фолиевую кислоту. Революция в области таргетной терапии наступила, но многие принципы и ограничения химиотерапии, установленные первыми исследователями, по-прежнему актуальны.

Начало

Начало современной эры химиотерапии рака можно проследить непосредственно к немецкому применению химического оружия во время Первой мировой войны. Среди использованных химических веществ особо разрушительным был горчичный газ. Несмотря на запрет, установленный Женевским протоколом в 1925 году, начало Второй мировой войны вызвало опасения по поводу возможного возобновления применения химического оружия. Эти опасения привели к открытию азотистого иприта, химического боевого вещества, как эффективного средства лечения некоторых видов рака. Два фармаколога из Йельской медицинской школы, Луис С. Гудман и Альфред Гилман, были привлечены Министерством обороны США для изучения потенциальных терапевтических применений химических боевых веществ. Гудман и Гилман отметили, что горчичный газ был слишком летучим для проведения лабораторных экспериментов. Они заменили атом серы на атом азота и получили более стабильное соединение – азотистый иприт. Спустя год после начала исследований, немецкий авианалёт на Бари (Италия) привёл к тому, что более 1000 человек подверглись воздействию секретного груза судна SS John Harvey, состоявшего из бомб с горчичным газом. Доктор Стюарт Фрэнсис Александр, подполковник и эксперт в области химической войны, был направлен для расследования последствий. Вскрытия жертв показали глубокое подавление лимфоидной и миелоидной систем после воздействия. В своём отчёте доктор Александр предположил, что поскольку горчичный газ практически останавливает деление определённых типов соматических клеток, склонных к быстрому размножению, его потенциально можно использовать для подавления деления некоторых типов раковых клеток. Используя эту информацию, Гудман и Гилман предположили, что это вещество можно использовать для лечения лимфомы – опухоли лимфоидных клеток. Они сначала создали экспериментальную модель на животных, вызвав лимфомы у мышей, и продемонстрировали возможность их лечения ипритом. Затем, в сотрудничестве с торакальным хирургом Густавом Линдског, они ввели пациенту с неходжкинской лимфомой препарат, родственный иприту – мустин (прототип азотистого иприта, используемого в химиотерапии рака). Пациент, польский иммигрант из Коннектикута, известный в литературе только как Дж.Д., получил первые инъекции 27 августа 1942 года в 10 часов утра. Врачи отметили значительное уменьшение опухолевых масс у пациента. Хотя эффект длился всего несколько недель, и пациенту потребовалось вернуться для повторного курса лечения, это был первый шаг к осознанию возможности лечения рака фармакологическими средствами.

Антифолаты

Вскоре после Второй мировой войны начался второй подход к лекарственной терапии рака. Сидни Фарбер, патолог из Гарвардской медицинской школы, изучал влияние фолиевой кислоты на пациентов с лейкемией. Фолиевая кислота, витамин, имеющий решающее значение для метаболизма ДНК (значение ДНК в то время не было известно), была открыта Люси Уиллс, когда она работала в Индии в 1937 году. Казалось, она стимулирует пролиферацию клеток острой лимфобластной лейкемии (ОЛЛ) при введении детям с этим раком. В одном из первых примеров рационального дизайна лекарств (а не случайного открытия) Фарбер использовал аналоги фолиевой кислоты, синтезированные Харриетт Килти и Йеллапрагадой Суббароу из Lederle Laboratories. Эти аналоги — сначала аминоптерин, а затем аметоптерин (ныне метотрексат) — были антагонистами фолиевой кислоты и блокировали функцию ферментов, требующих фолата. При введении детям с ОЛЛ в 1948 году эти препараты стали первыми лекарствами, способными индуцировать ремиссию у детей с ОЛЛ. Ремиссии были кратковременными, но принцип был ясен: антифолаты могли подавлять пролиферацию злокачественных клеток и тем самым восстанавливать нормальную функцию костного мозга. Фарбер столкнулся с сопротивлением при проведении своих исследований, в то время как общепринятым медицинским убеждением было, что лейкемия неизлечима, и детям следует позволить умереть в покое. Впоследствии, доклад Фарбера в 1948 году в New England Journal of Medicine был встречен с недоверием и насмешками. В 1947 году Бейб Рут, боровшийся с раком носоглотки, стал одним из первых пациентов, получивших лечение птероиловым триглутаматом (также известным под торговой маркой Тероптерин и сходным с аминоптерином). Доктор Ричард Льюисон из больницы Mount Sinai в Нью-Йорке вводил ему препарат, и в течение нескольких месяцев состояние Рута начало улучшаться. Однако Рут умер в следующем году. В 1951 году Джейн К. Райт продемонстрировала применение метотрексата при солидных опухолях, показав ремиссию при раке молочной железы. Группа Райт была первой, кто продемонстрировал применение препарата при солидных опухолях, в отличие от лейкемий, которые являются раком костного мозга. Несколько лет спустя в Национальном институте рака Рой Герц и Мин Чиу Ли продемонстрировали полную ремиссию у женщин с хориокарциномой и хориоаденомой в 1956 году, обнаружив, что метотрексат в одиночку может излечить хориокарциному (1958), злокачественную опухоль зародышевых клеток, которая возникает в трофобластных клетках плаценты. В 1960 году Райт и соавторы вызвали ремиссию при микозе грибковидном.

6-МП

Джозеф Бурченал из Мемориального онкологического центра Слоан-Кеттеринга в Нью-Йорке, при поддержке Фарбера, начал собственное исследование метотрексата и обнаружил аналогичные результаты. Затем он решил разработать антиметаболиты по примеру Фарбера, внося небольшие изменения в метаболит, необходимый клетке для деления. Благодаря помощи Джорджа Хичингса и Гертруды Элион, двух фармацевтических химиков, работавших в компании Burroughs Wellcome Co. в Такахо, было протестировано множество аналогов пурина, что в конечном итоге привело к открытию 6-меркаптопурина (6-МП), который впоследствии продемонстрировал высокую эффективность в качестве противолейкемического препарата.

Алкалоиды винки

Группа Eli Lilly по изучению природных соединений обнаружила, что алкалоиды мадагаскарского барвинка (Vinca rosea), первоначально выявленные при скрининге антидиабетических препаратов, блокируют пролиферацию опухолевых клеток. Впоследствии было показано, что противоопухолевый эффект алкалоидов барвинка (например, винкристина) обусловлен их способностью ингибировать полимеризацию микротрубочек и, таким образом, деление клеток.

Национальный центр химиотерапии рака

НКИ, возглавляемый доктором Джоном Р. Хеллером-младшим, лоббировал Конгресс Соединенных Штатов в целях получения финансовой поддержки исследований химиотерапии второго поколения. В ответ Конгресс в 1955 году создал Национальный центр обслуживания химиотерапии рака (CCNSC) при НКИ. Это была первая федеральная программа, направленная на стимулирование разработки лекарственных средств для лечения рака – в отличие от сегодняшней ситуации, большинство фармацевтических компаний еще не проявляли интереса к разработке противораковых препаратов. CCNSC разработал методологии и важнейшие инструменты (такие как клеточные линии и модели на животных) для разработки химиотерапевтических средств.

Комбинированная химиотерапия

В 1965 году произошел значительный прорыв в терапии рака. Джеймс Ф. Холланд, Эмиль Фрейрейх и Эмиль Фрей предположили, что химиотерапия рака должна следовать стратегии антибиотикотерапии туберкулеза, используя комбинации препаратов с различными механизмами действия. Раковые клетки теоретически могут мутировать и стать устойчивыми к одному препарату, но при одновременном применении различных лекарств опухоли будет сложнее выработать устойчивость к комбинации. Холланд, Фрейрейх и Фрей одновременно вводили метотрексат (антифолат), винкристин (алкалоид винки), 6-меркаптопурин (6-МП) и преднизон – вместе известные как схема POMP – и индуцировали длительную ремиссию у детей с острым лимфобластным лейкозом (ОЛЛ). Благодаря постепенному совершенствованию первоначальных схем, с использованием рандомизированных клинических исследований, проведенных детской исследовательской больницей Сент-Джуд, Медицинским исследовательским советом Великобритании (протоколы UKALL) и немецкой клинической группой Берлин-Франкфурт-Мюнстер (протоколы ALL BFM), ОЛЛ у детей стал во многом излечимым заболеванием. Этот подход был расширен на лимфомы в 1963 году Винсентом Т. ДеВитой и Джорджем Канеллосом в NCI, которые в конце 1960-х годов окончательно доказали, что азотистый иприт, винкристин, прокарбазин и преднизон – известные как режим MOPP – способны излечить пациентов с лимфомой Ходжкина и неходжкинской лимфомой. В настоящее время почти во всех успешных схемах химиотерапии рака используется эта парадигма одновременного применения нескольких препаратов, называемая комбинированной химиотерапией или полихимиотерапией.

Адъювантная терапия

Как и предсказывали исследования на животных, препараты оказались наиболее эффективными у пациентов с опухолями меньшего объема. Другой важной стратегией, вытекающей из этого, стало следующее: если сначала уменьшить опухолевую нагрузку хирургическим путем, то химиотерапия может уничтожить любые оставшиеся злокачественные клетки, даже если она была бы недостаточно эффективна для полного уничтожения опухоли. Этот подход получил название "адъювантная терапия". Эмиль Фрей первым продемонстрировал этот эффект – высокие дозы метотрексата предотвращали рецидив остеосаркомы после хирургического удаления первичной опухоли. Позже было показано, что 5-фторурацил, ингибирующий тимидилатсинтазу, улучшает выживаемость при использовании в качестве адъюванта к хирургическому лечению пациентов с раком толстой кишки. Аналогично, основополагающие исследования Бернарда Фишера, председателя Национального хирургического проекта адъювантной терапии рака молочной железы и кишечника, и Джанни Бонадонны, работавшего в Istituto Nazionale Tumori di Milano (Италия), доказали, что адъювантная химиотерапия после полной хирургической резекции опухолей молочной железы значительно увеличивает выживаемость, особенно при более распространенных формах рака.

Инициативы Zubrod

В 1956 году К. Гордон Зуброд, ранее возглавлявший разработку противомалярийных средств для армии США, возглавил Отдел лечения рака NCI и руководил разработкой новых лекарственных препаратов. В течение двух десятилетий после создания NCCSC под эгидой NCI сформировалась обширная сеть групп кооперативных клинических исследований для тестирования противоопухолевых средств. Зуброд проявлял особый интерес к природным соединениям и инициировал масштабную программу сбора и тестирования растительного и морского сырья – программу, вызвавшую споры, но приведшую к открытию таксанов (в 1964 году) и камптотецинов (в 1966 году). Оба класса препаратов были выделены и охарактеризованы лабораторией Монро Уолла в Исследовательском треугольном институте.

Таксаны

Паклитаксель (Таксол) был новым антимитотическим препаратом, стимулирующим сборку микротрубочек. Синтез этого препарата оказался сложным, и его можно было получить только из коры тихоокеанского тиса, что вынудило Национальный институт рака (NCI) заняться дорогостоящей заготовкой значительного количества деревьев тиса на государственных землях. После 4 лет клинических испытаний при солидных опухолях, в 1987 году (через 23 года после его первоначального открытия) было установлено, что он эффективен в терапии рака яичников. Важно отметить, что, хотя препарат был разработан NCI в партнерстве с Bristol Myers Squibb, эксклюзивными правами на его продажу обладала компания BMS (которая использовала метод синтеза, разработанный Робертом Холтоном во Флоридском государственном университете), которая впоследствии получила более миллиарда долларов прибыли от Таксола.

Камптотецины

Другим классом лекарственных средств, разработанных в НКИ, были камптотецины. Камптотецин, выделенный из китайского декоративного дерева, ингибирует топоизомеразу I – фермент, обеспечивающий раскручивание ДНК. Несмотря на обнадеживающие результаты доклинических исследований, препарат демонстрировал незначительную противоопухолевую активность на ранних этапах клинических испытаний, а его дозировка была ограничена из-за токсичности для почек: его лактонное кольцо нестабильно при нейтральном pH, поэтому в кислой среде почек оно активируется, повреждая почечные канальцы. В 1996 году более стабильный аналог – иринотекан – получил одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) для лечения рака ободочной кишки. Впоследствии этот препарат также применялся для лечения рака легких и яичников.

Средства на основе платины

Цисплатин, соединение на основе платины, был открыт исследователем из Мичиганского государственного университета Барнетом Розенбергом, работавшим по контракту с NCI. Это стало очередным счастливым случаем: изначально Розенберг хотел изучить возможное влияние электрического поля на рост бактерий. Он заметил, что бактерии неожиданно прекращали делиться при помещении в электрическое поле. Воодушевленный, он провел несколько месяцев, пытаясь объяснить это явление. К его разочарованию, причиной оказался экспериментальный артефакт — подавление деления бактерий было связано с продуктом электролиза платинового электрода, а не с электрическим полем. Однако это случайное открытие вскоре положило начало серии исследований влияния соединений платины на деление клеток, что в конечном итоге привело к синтезу цисплатина. Этот препарат сыграл решающую роль в излечении рака яичек. Впоследствии Ив Уилтшоу и другие сотрудники Института исследований рака в Соединенном Королевстве расширили клиническое применение соединений платины, разработав карбоплатин — производное цисплатина с широкой противоопухолевой активностью и относительно меньшей нефротоксичностью.

Нитрозуреи

Вторая группа, работавшая по контракту с NCI и возглавляемая Джоном Монтгомери из Южного исследовательского института, синтезировала нитрозоуреи – алкилирующий агент, вызывающий сшивание ДНК. Флударабин фосфат, аналог пурина, ставший одним из основных препаратов в лечении хронического лимфолейкоза, также был разработан Монтгомери.

Антрациклины и эпиподофиллотоксины

В период с 1970 по 1990 год из промышленности также были получены другие эффективные молекулы, такие как антрациклины и эпиподофиллотоксины, – оба они подавляли действие топоизомеразы II, фермента, критически важного для синтеза ДНК.

Поддерживающая терапия во время химиотерапии

Как видно из их происхождения, вышеупомянутые химиотерапевтические препараты по сути являются ядами. Пациенты, получавшие эти препараты, испытывали тяжелые побочные эффекты, которые ограничивали допустимые дозы и, следовательно, снижали терапевтический эффект. Клинические исследователи осознали, что умение справляться с этими токсичностями критически важно для успеха химиотерапии рака. Есть несколько примечательных примеров. Многие химиотерапевтические средства вызывают выраженное угнетение костного мозга. Это состояние обратимо, но восстановление требует времени. Поддержка в виде переливания тромбоцитарной массы и эритроцитарной массы, а также применение антибиотиков широкого спектра действия при возникновении инфекции в этот период крайне важны для выздоровления пациента. Стоит также отметить несколько практических моментов. Большинство этих препаратов вызывали очень сильную тошноту (в литературе известную как химиотерапевтическая тошнота и рвота (CINV)), которая, хотя и не приводила непосредственно к смерти пациентов, была невыносимой при более высоких дозах. Разработка новых препаратов для профилактики тошноты (прототипом которых стал ондансетрон) оказалась очень полезной на практике, как и создание центральных внутривенных катетеров (например, катетеров Хикмана и PICC), позволяющих безопасно вводить химиотерапевтические препараты и поддерживающую терапию.

Трансплантация костного мозга

Одним из важных достижений этого периода стало открытие метода, позволяющего вводить ранее смертельные дозы химиотерапии. Сначала у пациента забирали костный мозг, затем проводили химиотерапию, а через несколько дней возвращали взятый костный мозг обратно пациенту. Этот подход, получивший название аутологичной трансплантации костного мозга, изначально считался полезным для широкого круга пациентов, в том числе страдающих распространенным раком молочной железы. Однако, результаты строгих исследований не подтвердили эту пользу, и аутологичная трансплантация больше не применяется широко при солидных опухолях. Подтвержденные целебные преимущества высоких доз химиотерапии, обеспечиваемые аутологичным восстановлением костного мозга, ограничены пациентами с лимфомой Ходжкина и некоторыми видами неходжкинской лимфомы, у которых предшествующая терапия стандартной комбинированной химиотерапией оказалась неэффективной. Аутологичная трансплантация продолжает использоваться в составе терапии при ряде других гематологических злокачественных заболеваний.

Антигормональная терапия

В течение этого времени была признана гормональная роль в развитии нескольких категорий подтипов рака молочной железы, что привело к разработке фармакологических модуляторов (например, эстрогеновых) – таких как тамоксифен.

Целевая терапия

Молекулярная генетика выявила сигнальные сети, регулирующие клеточные процессы, такие как пролиферация и выживание. При определенном виде рака такая сеть может быть кардинально изменена вследствие случайной соматической мутации. Таргетная терапия подавляет метаболический путь, который обеспечивает деление клеток этого типа рака.

Ингибиторы тирозинкиназы

Классическим примером целенаправленной разработки является мезилат иматиниба (Gleevec) – небольшая молекула, ингибирующая сигнальную киназу. Генетический дефект, вызывающий хронический миелолейкоз (ХМЛ), давно известен как хромосомная транслокация, приводящая к образованию аномального белка слияния, киназы BCR-ABL, которая аберрантно посылает сигналы, вызывая неконтролируемую пролиферацию лейкозных клеток. Иматиниб избирательно ингибирует эту киназу. В отличие от многих других противораковых препаратов, создание этого лекарства не было случайным. Брайан Друкер, работавший в Университете здоровья и науки штата Орегон, тщательно исследовал аномальную ферментную активность киназы при ХМЛ. Он предположил, что точное ингибирование этой киназы лекарственным средством позволит контролировать заболевание и окажет минимальное воздействие на нормальные клетки. Друкер сотрудничал с химиком из компании Novartis, Николасом Лайдоном, который разработал несколько потенциальных ингибиторов. Среди них иматиниб показал наибольшую эффективность в лабораторных исследованиях. Впоследствии Друкер, а затем и другие исследовательские группы по всему миру продемонстрировали, что применение этой небольшой молекулы для лечения пациентов с хронической фазой ХМЛ приводит к полной гематологической ремиссии у 90% пациентов. Есть надежда, что молекулярное нацеливание на подобные дефекты при других видах рака даст аналогичный результат.

Моноклональные антитела

Еще одна область в целевой терапии – растущее использование моноклональных антител в терапии рака. Хотя моноклональные антитела (иммунные белки, которые можно отобрать для точного связывания практически с любой мишенью) существуют уже несколько десятилетий, они изначально получались из мышей и не отличались высокой эффективностью при введении человеку, вызывая аллергические реакции и быстро выводясь из кровообращения. "Гуманизация" этих антител (генетическое изменение для максимального приближения к человеческому антителу) позволила создать новое поколение высокоэффективных гуманизированных моноклональных антител. Ярким примером является трастузумаб – препарат для лечения рака молочной железы.

Эффективность

Открытие того, что определенные токсичные химические вещества, применяемые в комбинации, способны излечивать некоторые виды рака, является одним из величайших достижений современной медицины. Детская ОЛЛ (острая лимфобластная лейкемия), рак яичек и болезнь Ходжкина, ранее неизлечимые, теперь в большинстве случаев поддаются лечению. Они также показали свою эффективность в адъювантном режиме, снижая риск рецидива после хирургического вмешательства при высокорисковом раке молочной железы, раке толстой кишки и раке легких, в частности. Общую эффективность химиотерапии в увеличении выживаемости при раке сложно оценить, поскольку на статистику заболеваемости и смертности влияют улучшенные методы скрининга, профилактики (например, антитабачные кампании) и диагностики. В Соединенных Штатах общие показатели заболеваемости раком оставались стабильными с 1995 по 1999 год, а показатели смертности от рака неуклонно снижались с 1993 по 1999 год. Это, вероятно, отражает совокупный эффект улучшенного скрининга, профилактики и лечения. Тем не менее, рак остается одной из основных причин заболеваемости и смертности, и стандартная цитотоксическая химиотерапия оказалась неэффективной в излечении большинства случаев рака после метастазирования.