Паклитаксел: Противораковый препарат и его применение

Введение

Лекарственный препарат для лечения рака

Паклитаксел, продаваемый под торговой маркой Taxol и другими, является химиотерапевтическим препаратом, используемым для лечения рака яичников, рака пищевода, рака молочной железы, рака легких, саркомы Капоши, рака шейки матки и рака поджелудочной железы. Распространенные побочные эффекты включают выпадение волос, угнетение костного мозга, онемение, аллергические реакции, мышечные боли и диарею. Он действует, вмешиваясь в нормальную функцию микротрубочек во время деления клеток. Препарат входит в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения. Изначально его получали из предшественников, а в последнее время – посредством клеточной культуры. Он рекомендован в руководстве Национального института здоровья и клинического совершенства (NICE) от июня 2001 года для лечения немелкоклеточного рака легких у пациентов, которым не показано радикальное лечение, а также для терапии первой и второй линий рака яичников. В сентябре 2001 года NICE рекомендовало паклитаксел для лечения распространенного рака молочной железы после неудачи антрациклиновой химиотерапии, но его применение в первой линии следует ограничивать клиническими испытаниями. В сентябре 2006 года NICE рекомендовало не использовать паклитаксел в адъювантной терапии раннего рака молочной железы с поражением регионарных лимфатических узлов. Он одобрен в Соединенных Штатах для лечения рака молочной железы, поджелудочной железы, яичников, саркомы Капоши и немелкоклеточного рака легких.

Сходные соединения

Паклитаксель, связанный с альбумином (торговое название Abraxane, также называемый nab-паклитаксел) – это альтернативная лекарственная форма, в которой паклитаксель связан с наночастицами альбумина. Значительная часть клинической токсичности паклитаксела обусловлена растворителем Cremophor EL, в котором он растворяется для введения. Компания Abraxis BioScience разработала Abraxane, в котором паклитаксель связан с альбумином в качестве альтернативного способа доставки, избегая часто токсичного метода доставки с использованием растворителя. Препарат был одобрен FDA в январе 2005 года для лечения рака молочной железы после неэффективности комбинированной химиотерапии при метастатическом заболевании или рецидива в течение шести месяцев после адъювантной химиотерапии. Впоследствии он был одобрен для лечения местно-распространенного или метастатического немелкоклеточного рака легких, а также метастатической аденокарциномы поджелудочной железы. Синтетические методы производства паклитаксела привели к разработке доцетаксела. Доцетаксел имеет схожий спектр клинического применения с паклитакселом и продается под торговой маркой Taxotere. Таксаны, включая паклитаксел, 10-деацетилбаккатин III, баккатин III, паклитаксел C и 7-эпипаклитаксел, были обнаружены в листьях и скорлупе фундука (лещины). Обнаружение этих соединений в скорлупе, которая считается отходами и массово производится многими пищевыми отраслями, представляет интерес с точки зрения будущей доступности паклитаксела.

Рестоноз

Паклитаксель используется как антипролиферативное средство для профилактики рестеноза (повторного сужения) коронарных и периферических стентов; покрытие паклитакселом, наносимое локально на стенку артерии, ограничивает рост неоинтимы (рубцовой ткани) внутри стентов. Стенты с элюированием паклитаксела для имплантации в коронарные артерии продаются под торговой маркой Taxus компанией Boston Scientific в Соединенных Штатах. Также доступны стенты с элюированием паклитаксела для имплантации в феморопоплитеальные артерии.

Побочные эффекты

Частыми побочными эффектами являются тошнота и рвота, потеря аппетита, изменение вкуса, истончение или ломкость волос, боль в суставах рук или ног, длящаяся два-три дня, изменение цвета ногтей и покалывание в руках или пальцах ног. Более серьезные побочные эффекты, такие как необычные синяки или кровотечения, боль, покраснение или отек в месте инъекции, синдром ладонь-подошвенный, изменение нормального стула в течение более двух дней, лихорадка, озноб, кашель, боль в горле, затрудненное глотание, головокружение, одышка, выраженная слабость, кожная сыпь, покраснение лица, женское бесплодие вследствие повреждения яичников и боль в груди, также могут возникать. Некоторые из этих побочных эффектов связаны с используемым вспомогательным веществом Cremophor EL – полиоксиэтилированным касторовым маслом. Аллергия на циклоспорин, тенипозид и другие препараты, вводимые с использованием полиоксиэтилированного касторового масла, может повысить риск нежелательных реакций на паклитаксел.

Механизм действия

Паклитаксель является одним из нескольких цитоскелетных препаратов, воздействующих на тубулин. В клетках, обработанных паклитакселом, наблюдаются дефекты в сборке митотического веретена, сегрегации хромосом и делении клеток. В отличие от других препаратов, воздействующих на тубулин, таких как колхицин, которые ингибируют полимеризацию микротрубочек, паклитаксель стабилизирует полимер микротрубочек и защищает его от деполимеризации. В результате хромосомы не могут сформировать метафазное веретено. Это блокирует прогрессирование митоза, а продолжительная активация митотической контрольной точки приводит к апоптозу или возврату в фазу G0 клеточного цикла без деления клеток. Способность паклитаксела ингибировать функцию веретена обычно объясняется подавлением им динамики микротрубочек, однако другие исследования показали, что подавление динамики происходит при концентрациях ниже тех, которые необходимы для блокирования митоза. При более высоких терапевтических концентрациях паклитаксель, по-видимому, подавляет отсоединение микротрубочек от центросом – процесс, который обычно активируется во время митоза. Паклитаксель связывается с бета-тубулиновыми субъединицами микротрубочек.

Химия

Номенклатура паклитаксела основана на тетрациклическом 17-атомном скелете. Всего насчитывается 11 стереоцентров. Активным стереоизомером является (-) паклитаксел (изображен здесь).

Обработка коры

С 1967 по 1993 год почти весь производимый паклитаксел получали из коры тихоокеанского тиса (Taxus brevifolia), при этом сбор коры приводил к гибели дерева. Применяемые методы были основаны на оригинальном способе выделения, разработанном Монро Уоллом и Мансухом Вани; к 1987 году Национальный институт рака США (NCI) заключил контракт с компанией Hauser Chemical Research из Боулдера, штат Колорадо, для обработки коры в объемах, необходимых для проведения клинических испытаний II и III фаз. Несмотря на неопределенность относительно численности дикой популяции тихоокеанского тиса и потенциального спроса на паклитаксел, стало очевидно, что потребуется альтернативный, возобновляемый источник этого природного соединения. Первые попытки расширить базу для получения паклитаксела включали использование хвои дерева или материала из других видов рода Taxus, в том числе культивируемых, однако эти попытки оказались затруднены из-за относительно низкой и часто сильно варьирующей урожайности. В начале 1990-х годов, одновременно с ростом внимания к экологии лесов Тихоокеанского Северо-Запада, паклитаксел был успешно выделен из этих источников в масштабах, достаточных для клинического применения.

Полусинтез

Одновременно синтетические химики в США и Франции проявляли интерес к паклитакселу, начиная с конца 1970-х годов. Как отмечалось, к 1992 году велись масштабные работы по осуществлению полного синтеза паклитаксела, обусловленные стремлением к новым химическим знаниям, а не к практическому коммерческому производству. В отличие от этого, французская группа Пьера Потье из Национального центра научных исследований (CNRS) рассмотрела вопрос об общем выходе процесса, показав, что возможно выделять относительно большие количества соединения 10-деацетилбаккатина из европейского тиса, Taxus baccata, который рос на территории CNRS и чьи иглы были доступны в больших количествах. Благодаря своей структуре, 10-деацетилбаккатин рассматривался как подходящий исходный материал для короткого полусинтеза для получения паклитаксела. К 1988 году Потье и его коллеги опубликовали полусинтетический путь из игл европейского тиса к паклитакселу. Однако, по мнению NCI, даже этот путь был непрактичным. Группа Роберта А. Холтона также исследовала практичный полусинтетический маршрут производства; к концу 1989 года группа Холтона разработала полусинтетический путь к паклитакселу с вдвое более высоким выходом, чем процесс Потье. Основным новшеством стало "Ожима-Холтон соединение", метод раскрытия цикла, независимо открытый Холтоном и Ожимой. Университет штата Флорида, где работал Холтон, заключил соглашение с Bristol Myers Squibb (BMS) о лицензировании их полусинтеза и будущих патентов. В 1992 году Холтон запатентовал улучшенный процесс с 80% выходом, и BMS внедрила этот процесс на собственном производстве и начала производить паклитаксель в Ирландии из 10-деацетилбаккатина, выделенного из игл европейского тиса. В начале 1993 года BMS объявила о прекращении использования коры тихоокеанского тиса к концу 1995 года, что фактически положило конец экологическим спорам, связанным с ее использованием. Это объявление также подтвердило их обязательство разработать альтернативный маршрут поставок, данное NCI в их заявке на соглашение о совместных исследованиях и разработках (CRADA) в 1989 году. По состоянию на 2013 год BMS использовала полусинтетический метод с использованием игл европейского тиса для производства паклитаксела. Другая компания, сотрудничавшая с BMS до 2012 года, Phyton Biotech, Inc., использует технологию ферментации растительных клеток (PCF). Выращивая специфическую линию клеток Taxus в ферментерах, им больше не требуется постоянная поставка материала с плантаций тисовых деревьев. Затем паклитаксель извлекается непосредственно из суспензионной среды с помощью смолы, что позволяет получить высокообогащенный порошок, содержащий около 40% паклитаксела. Затем соединение очищается одним хроматографическим этапом с последующей кристаллизацией. По сравнению с методом полусинтеза, PCF устраняет необходимость использования многих опасных химических веществ и значительно экономит энергию. В 1993 году паклитаксель был обнаружен как природный продукт в Taxomyces andreanae, недавно описанном эндофитном грибе, обитающем в тисе. С тех пор о его наличии сообщалось в ряде других эндофитных грибов, включая Nodulisporium sylviforme, Alternaria taxi, Cladosporium cladosporioides MD2, Metarhizium anisopliae, Aspergillus candidus MD3, Mucor rouxianus, Chaetomella raphigera, Phyllosticta tabernaemontanae, Phomopsis, Pestalotiopsis pauciseta, Phyllosticta citricarpa, Podocarpus sp., Fusarium solani, Pestalotiopsis terminaliae, Pestalotiopsis breviseta, Botryodiplodia theobromae, Gliocladium sp., Alternaria alternata var. monosporus, Cladosporium cladosporioides, Nigrospora sp. и Pestalotiopsis versicolor. Однако существуют противоречивые данные о его производстве эндофитами, и другие исследования показали, что независимое производство маловероятно.

Concurrently, synthetic chemists in the U. S. and France had been interested in paclitaxel, beginning in the late 1970s. As noted, by 1992 extensive efforts were underway to accomplish the total synthesis of paclitaxel, efforts motivated by the desire to generate new chemical understanding rather than to achieve practical commercial production. In contrast, the French group of Pierre Potier at the Centre national de la recherche scientifique (CNRS) addressed the matter of overall process yield, showing that it was feasible to isolate relatively large quantities of the compound 10 deacetylbaccatin from the European yew, Taxus baccata, which grew on the CNRS campus and whose needles were available in large quantity. By virtue of its structure, 10 deacetylbaccatin was seen as a viable starting material for a short semisynthesis to produce paclitaxel. By 1988, Poitier and collaborators had published a semisynthetic route from needles of the European yew to paclitaxel. The view of the NCI, however, was that even this route was not practical. The group of Robert A. Holton had also pursued a practical semisynthetic production route; by late 1989, Holton's group had developed a semisynthetic route to paclitaxel with twice the yield of the Potier process. The main innovation was "Ojima−Holton coupling", a ring opening method independently discovered by Holton and Ojima. Florida State University, where Holton worked, signed a deal with Bristol Myers Squibb (BMS) to license their semisynthesis and future patents. In 1992, Holton patented an improved process with an 80% yield, and BMS took the process in house and started to manufacture paclitaxel in Ireland from 10 deacetylbaccatin isolated from the needles of the European yew. In early 1993, BMS announced that it would cease reliance on Pacific yew bark by the end of 1995, effectively terminating ecological controversy over its use. This announcement also made good their commitment to develop an alternative supply route, made to the NCI in their cooperative research and development agreement (CRADA) application of 1989. As of 2013, BMS was using the semisynthetic method utilizing needles from the European yew to produce paclitaxel. Another company which worked with BMS until 2012, Phyton Biotech, Inc., uses plant cell fermentation (PCF) technology. By cultivating a specific Taxus cell line in fermentation tanks, they no longer need ongoing sourcing of material from actual yew tree plantations. Paclitaxel is then captured directly from the suspension broth by a resin allowing concentration to highly enriched powder containing about 40% paclitaxel. The compound is then purified by one chromatographic step followed by crystallization. Compared to the semisynthesis method, PCF eliminates the need for many hazardous chemicals and saves a considerable amount of energy. In 1993, paclitaxel was discovered as a natural product in Taxomyces andreanae, a newly described endophytic fungus living in the yew tree. It has since been reported in a number of other endophytic fungi, including Nodulisporium sylviforme, Alternaria taxi, Cladosporium cladosporioides MD2, Metarhizium anisopliae, Aspergillus candidus MD3, Mucor rouxianus, Chaetomella raphigera, Phyllosticta tabernaemontanae, Phomopsis, Pestalotiopsis pauciseta, Phyllosticta citricarpa, Podocarpus sp., Fusarium solani, Pestalotiopsis terminaliae, Pestalotiopsis breviseta, Botryodiplodia theobromae, Gliocladium sp., Alternaria alternata var. monosporus, Cladosporium cladosporioides, Nigrospora sp. and Pestalotiopsis versicolor. However, there has been contradictory evidence for its production by endophytes, with other studies finding independent production is unlikely.

Биосинтез

Таксол является тетрациклическим дитерпеном, и биосинтез дитерпенов начинается с удлинения молекулы FPP путем добавления молекулы IPP для образования геранилгеранилдифосфата (GGPP). Биосинтез таксола включает в себя девятнадцать этапов. Эти 19 этапов можно рассматривать как последовательность нескольких стадий, первым шагом которой является формирование скелета таксана, который затем подвергается серии окислений. После окислений на промежуточном продукте происходят два ацетилирования и бензоилирование. Считается, что окисление таксанового ядра происходит на C5 и C10, C2 и C9, C13, за которым следует C7, а позднее – гидроксилирование C1. В дальнейшем, окисление на C9 образует кетоновую функциональную группу и оксетан, формируя промежуточный продукт баккатин III. Заключительные этапы пути включают формирование C13-боковой цепи, которая присоединяется к баккатину III. Биосинтез таксола более подробно иллюстрирован на рисунке, где этапы 1–7 происходят в ферменте таксадиеносинтазе (TS на рисунке). Биосинтез таксола начинается с потери пирофосфата E,E,E GGPP посредством механизма SN1 (этап 1 на рисунке). Двойная связь атакует катион посредством электрофильного присоединения, образуя третичный катион и вызывая первое замыкание кольца (этап 2). Происходит еще одна электрофильная атака, которая дополнительно циклизует структуру, создавая первое 6-членное кольцо и еще один третичный катион (этап 3). Происходит внутримолекулярный перенос протона, атакующий вертициллильный катион (этап 4) и образующий двойную связь, приводящий к образованию третичного катиона. На этапе 5 происходит электрофильная циклизация, а внутримолекулярный перенос протона атакует таксенильный катион (этап 6). Это формирует конденсированную кольцевую структуру, известную как таксадиен. Затем таксадиен подвергается серии из 10 окислений посредством NADPH, образуя промежуточный продукт таксадиен 5α-ацетокси-10β-ол (несколько этапов спустя на рисунке). Происходит ряд гидроксилирований и эстерификаций, образуя промежуточный продукт 10-дезацетилбаккатин III, который подвергается дальнейшим эстерификациям и гидроксилированию боковой цепи. Эта масштабная работа по полному синтезу была мотивирована главным образом стремлением к новым химическим знаниям, а не ожиданием практического коммерческого производства паклитаксела. Первыми лабораториями, завершившими полный синтез из гораздо менее сложных исходных материалов, были исследовательские группы Роберта А. Холтона, чья статья была первой принятой к публикации, и К. С. Николау, чья статья была первой опубликованной (на неделю раньше, 7 февраля 1994 года). Хотя подача Холтона предшествовала подаче Николау на месяц (21 декабря 1993 года против 24 января 1994 года), почти одновременная публикация результатов этих масштабных многолетних усилий – на каждой из публикаций февраля 1994 года было от 11 до 18 авторов – привела к тому, что окончание гонки было названо "ничьей" или "фотофинишем". Эти ученые выделили природный продукт из коры тихоокеанского тиса, определили его структуру и назвали его "таксолом", а также организовали его первое биологическое тестирование. Затем соединение было коммерчески разработано компанией BMS, которой было присвоено общее название "паклитаксел".

Taxol is a tetracyclic diterpene, and the biosynthesis of diterpenes starts with an FPP molecule being elongated by the addition of an IPP molecule in order to form geranylgeranyl diphosphate (GGPP). The biosynthesis of Taxol contains nineteen steps. These 19 steps can be considered in several steps, with the first step being the formation of the taxane skeleton, which then undergoes a series of oxygenations. Following the oxygenations, two acetylations and a benzoylation occur on the intermediate. The oxygenation of the taxane core is believed to occur on C5 and C10, C2 and C9, C13 followed by C7, and a C1 hydroxylation later on in the pathway. Later in the pathway, an oxidation at C9 forms a ketone functional group and an oxetane, forming the intermediate baccatin III. The final steps of the pathway include the formation of a C13 side chain which is attached to baccatin III. The biosynthesis of Taxol is illustrated in more detail in the figure, with steps 1 7 all occurring in the enzyme taxadiene synthase (TS on the figure). Taxol's biosynthesis begins with E,E,E GGPP losing pyrophosphate via an SN1 mechanism (step 1 in the figure). The double bond attacks the cation via electrophilic addition, yielding a tertiary cation and creating the first ring closure (step 2). Another electrophilic attack occurs, further cyclizing the structure by creating the first 6 membered ring and creating another tertiary cation (step 3). An intramolecular proton transfer occurs, attacking the verticillyl cation (step 4) and creating a double bond, yielding a tertiary cation. An electrophilic cyclization occurs in step 5, and an intramolecular proton transfer attacks the taxenyl cation (step 6). This forms the fused ring structure intermediate known as taxadiene. Taxadiene then undergoes a series of 10 oxidations via NADPH, forming the intermediate taxadiene 5α acetoxy 10β ol (multiple steps later in the figure). A series of hydroxylations and esterficiations occur, forming the intermediate 10 deacetyl baccatin III, which undergoes a further series of esterifications and a side chain hydroxylation. This total synthesis effort was motivated primarily by the desire to generate new chemical understanding, rather than with an expectation of the practical commercial production of paclitaxel. The first laboratories to complete the total synthesis from much less complex starting materials were the research groups of Robert A. Holton, who had the first article to be accepted for publication, and of K. C. Nicolaou who had the first article to appear in print (by a week, on 7 February 1994). Though the Holton submission preceded the Nicolaou by a month (21 December 1993 versus 24 January 1994), the near coincidence of the publications arising from each of these massive, multiyear efforts—11–18 authors appearing on each of the February 1994 publications—has led the ending of the race to be termed a "tie" or a "photo finish", These scientists isolated the natural product from the bark of the Pacific yew tree, determined its structure and named it "taxol", and arranged for its first biological testing. The compound was then developed commercially by BMS, who had the generic name assigned as "paclitaxel".

Правовой статус

Паклитаксель был одобрен для медицинского применения в Европейском Союзе в 2008 году.

Экономика

В 2006 году стоимость лечения одного пациента с ранним раком молочной железы для NHS, при условии четырех циклов терапии, составляла около 4 000 фунтов стерлингов (приблизительно 6 000 долларов США).

Исследования

Предполагается, что кофеин ингибирует апоптоз, индуцированный паклитакселом, в клетках колоректального рака. Помимо прямого клинического применения, паклитаксел широко используется в биологических и биомедицинских исследованиях в качестве стабилизатора микротрубочек. В общем, in vitro анализы с участием микротрубочек, такие как анализы на подвижность, используют паклитаксел для поддержания целостности микротрубочек в отсутствие различных нуклеирующих факторов и других стабилизирующих элементов, присутствующих в клетке. Например, он применяется для in vitro тестирования препаратов, направленных на изменение поведения моторных белков микротрубочек, или для изучения мутантных моторных белков. Кроме того, паклитаксел использовался in vitro для ингибирования фибрилляции инсулина; в молярном соотношении 10:1 (инсулин:паклитаксел) он подавлял фибрилляцию инсулина примерно на 70%. Данные, полученные с помощью изотермической титровальной калориметрии (ITC), указывают на спонтанную тенденцию паклитаксела взаимодействовать с инсулином посредством водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса. Также ингибирующая роль паклитаксела объясняется его влиянием на коллоидную стабильность белкового раствора, поскольку было установлено, что паклитаксел ингибирует фибрилляцию лизоцима, индуцируя образование олигомерных промежуточных соединений "не по основному пути" и, как следствие, повышая коллоидную стабильность. Паклитаксел иногда используется и в исследованиях in vivo; его можно вводить тестовым организмам, например, плодовым мушкам, или в отдельные клетки для ингибирования деполимеризации микротрубочек или увеличения их количества в клетке. Паклитаксел индуцирует ремиелинизацию у мышей с демиелинизацией in vivo и ингибирует hPAD2 in vitro посредством своей метилоэфирной боковой цепи. Компания Angiotech Pharmaceuticals Inc. начала клинические испытания фазы II в 1999 году в качестве средства лечения рассеянного склероза, но в 2002 году сообщила, что результаты не показали статистической значимости. В 2016 году клетки мышиной опухоли, устойчивые к множеству лекарственных препаратов, были обработаны паклитакселом, заключенным в экзосомы. Дозы, на 98% меньшие, чем обычно используемые, оказали аналогичный эффект. Кроме того, экзосомы, помеченные красителем, смогли маркировать опухолевые клетки, что потенциально может помочь в диагностике.

Caffeine has been speculated to inhibit paclitaxel induced apoptosis in colorectal cancer cells. Aside from its direct clinical use, paclitaxel is used extensively in biological and biomedical research as a microtubule stabilizer. In general, in vitro assays involving microtubules, such as motility assays, rely on paclitaxel to maintain microtubule integrity in the absence of the various nucleating factors and other stabilizing elements found in the cell. For example, it is used for in vitro tests of drugs that aim to alter the behavior of microtubule motor proteins, or for studies of mutant motor proteins. Moreover, Paclitaxel has been used in vitro to inhibit insulin fibrillation; in a molar ratio of 10:1 (insulin:paclitaxel), it hindered insulin fibrillation near 70%. Iso thermal titration calorimetry (ITC) findings indicated a spontaneous tendency of paclitaxel to interact with insulin through hydrogen bonds and van der Waal's forces. Also, the inhibitory role of paclitaxel is attributed to its impact on the colloidal stability of protein solution, as it was observed that paclitaxel inhibited lysozyme fibrillation by inducing the formation of "off pathway" oligomeric intermediates and increasing the colloidal stability subsequently. Paclitaxel is sometimes used for in vivo studies as well; it can be fed to test organisms, such as fruit flies, or injected into individual cells, to inhibit microtubule disassembly or to increase the number of microtubules in the cell. Paclitaxel induces remyelination in a demyelinating mouse in vivo and inhibits hPAD2 in vitro though its methyl ester side chain. Angiotech Pharmaceuticals Inc. began phase II clinical trials in 1999 as a multiple sclerosis treatment but in 2002, reported that the results showed no statistical significance. In 2016 in vitro multi drug resistant mouse tumor cells were treated with paclitaxel encased in exosomes. Doses 98% less than common dosing had the same effect. Also, dye marked exosomes were able to mark tumor cells, potentially aiding in diagnosis.