Как сибирская ель поможет улучшить химиотерапию глиобластомы

Группа ученых из Новосибирского Академгородка (НИОХ СО РАН, ИХБФМ СО РАН, НГУ) синтезировали соединения, способные увеличивать эффективность химиотерапевтического препарата темозоломида на клетках глиобластомы (этому смертельному заболеванию мозга посвящена отдельная большая статья на нашем портале). Соединения синтезировали на основе природных смоляных кислот, выделяемых из живицы широко распространенной ели сибирской (Pícea obováta). Вещества являются ингибиторами фермента репарации ДНК Тирозил-ДНК- фософодиэстеразы 1 и способны улучшать противоопухолевый эффект темозоломида до 40%. Исследование было опубликовано в Journal of Natural Products.

Живица ели

Традиционная химиотерапия алкилирующими агентами направлена на повреждение ДНК злокачественных клеток. В ответ на повреждения, в клетке начинается активная выработка ферментов репарации ДНК, предназначенных для восстановления собственной структуры.  Таким образом, злокачественное образование защищает себя от химиотерапии и становится нечувствительным к лечению.  При лишении раковой клетки способности к восстановлению повреждённой ДНК, существенно возрастает эффективность традиционных методов лечения. К числу ферментов, занятых «починкой» ДНК, в первую очередь относятся ферменты поли(АДФ-рибоза)-полимеразы (PARP-1, PARP-2). Известно, что подавление активности PARP-1 при химиотерапии ведет к апоптозу клеток, ДНК которых повреждена цитостатическими препаратами. В настоящее время три ингибитора PARP-1 (Rucaparib, Olaparib, Niraparib) одобрены FDAдля применения в терапии онкозаболеваний, и еще два (Veliparib, Talazoparib) находятся на поздней стадии клинических испытаний. Все эти вещества являются не селективными ингибиторами PARP-1 и проявляют ингибирующую активность в отношении PARP-2 в той же степени. Однако, в последнее время была обнаружена резистентность к этим препаратам.

Несмотря на то, что основные участники репарации апуриновых/апиримидиновых (АП) сайтов, образующихся при действии алкилирующих агентов, достаточно хорошо изучены, обнаруживаются новые белки, которые могут быть вовлечены в этот процесс в качестве “запасных игроков”, либо могут выполнять определенные специализированные функции. Один из таких белков — тирозил-ДНК-фосфодиэстераза 1 человека (Tdp1), помимо своей основной активности удалять ковалентные аддукты топоизомеразы I (Top1) и ДНК, способен гидролизовать АР сайты в ДНК и инициировать их репарацию. Tdp1 считается основным ферментом, осуществляющим репарацию необратимых комплексов топоизомеразы I с ДНК, которые стабилизируются в присутствии ингибиторов Top1, таких как камптотецин, поэтому Tdp1 может служить важной мишенью для разработки ингибиторов – антираковых препаратов. Кроме этого, Tdp1 удаляет широкий спектр 3′ концевых модифицированных звеньев в ДНК, а также 3′ концевые нуклеозиды и их производные с образованием 3′ фосфата.

Поиск ингибиторов Tdp1 прошел длинный путь, начиная от неспецифических соединений широкого спектра действия, включая соединения переходных металлов (ванадаты и вольфраматы) и аминогликозидные антибиотики типа неомицина. Затем был опубликован ряд исследований, посвященных поиску специфических ингибиторов Tdp1. Были протестированы различные диамидины, миметики фосфотирозина, бензопентатиепины, инденоизохинолины, а также природные метаболиты грибов, растений и лишайников и их производные. Найденные ингибиторы обладают рядом существенных недостатков, таких как низкая биодоступность, высокая цитотоксичность и воздействие на нежелательные мишени.

В последние годы коллективом исследователей из НИОХ СО РАН и ИХФБМ СО РАН найден широкий ряд ингибиторов Tdp1, подавляющих активность этого фермента в диапазоне концентраций начиная от наномолярных, что в десятки раз превосходит эффективность опубликованных в литературе ингибиторов. Все они представляют собой производные природных биологически активных веществ различного происхождения. Значительная часть обнаруженных соединений не проявила токсичности в отношении разных клеточных культур, что является преимуществом с точки зрения отсутствия дополнительных побочных эффектов терапии.

Мультиформная глиобластома (ГБМ, астроцитома IV степени) является наиболее распространенной и агрессивной первичной опухолью головного мозга взрослых, обладающей следующими особенностями: неконтролируемая клеточная пролиферация, инфильтративный рост, геномная нестабильность, клональная гетерогенность, устойчивость к апоптозу, патологический ангиогенез. Несмотря на мультимодальный подход (резекция опухоли, лучевая и химиотерапия) средняя продолжительность жизни пациентов с ГБМ не превышает 15 месяцев, а наилучшая 5-летняя выживаемость на фоне полного терапевтического комплекса составляет всего 9,8%. Устойчивость к терапии связывают с тем, что клетки ГБМ отвечают на повреждения ДНК, индуцированные ионизирующим излучением и генотоксическими препаратами, путем активации механизмов репарации ДНК.

На сегодняшний день достаточно хорошо изучены механизмы репарации повреждений, вызванных темозоломидом, алкилирующим агентом первой линии терапии ГБМ. Темозоломид  в физиологических условиях подвергается спонтанному гидролизу с превращением в активный метаболит, который в свою очередь распадается на аминоимидазолкарбоксамид и ион метилдиазония. Именно этот активный ион осуществляет перенос метильных групп на ДНК, чем и обусловлен противоопухолевый эффект темозоломида. Метилирование ДНК осуществляется в N7- и O6- позициях гуанина и O3- позиции аденина. Хотя метилирование в O6- позиции гуанина составляет лишь 9% от всего количества метилированных позиций, именно это повреждение является наименее устранимым.

Представляется, что решающим фактором, способствующим развитию резистентности опухолевых клеток к стандартной химиотерапии и рецидиву опухоли, являются такие системы репарации, как  прямая репарация O6-MeG посредством «суицидального» фермента метилгуанин ДНК-трансферазы (methylguanine-DNA methyltransferase/MGMT), система репарации ошибочно спаренных нуклеотидов (mismatch repair, MMR) и эксцизионная репарация оснований (DNA base excision repair, BER). Именно поэтому ферменты данных репарационных систем рассматриваются учёными как привлекательные мишени для создания новых химиотерапевтических препаратов.

Новосибирские ученые получили соединения, способные ингибировать (замедлять) активность фермента Tdp1 в низких концентрациях, при этом не являясь токсичными в отношении разного типа клеток.Данные соединения были синтезированы на основе дегидроабиетиламина – производного широко распространённой дегидроабиетиновой кислоты. Данная природная кислота содержится в живицах хвойных растений, относящихся к родам Pinus, Picea, Abiesи др.. Особенно высоким содержанием (до 70%) дегидроабиетиновой кислоты отличается живица ели сибирской Pícea obováta.

Авторы предложили использовать данные ингибиторы в “коктейлях” с уже известным противоопухолевым алкилирующим препаратом. При такой терапии цитостатик и ингибитор Tdp1работают в паре – темозоломид повреждает ДНК раковой клетки, а ингибитор не дает ей восстановиться. В перспективе такой подход может позволить преодолеть резистентность и увеличить эффективность химиотерапии, при этом не добавляя токсической нагрузки для пациента. В результате проведенных экспериментов было показано, что вещество, содержащее природный фрагмент смоляной кислоты и фрагмент адамантана, разделенный мостиком мочевины достоверно увеличивает эффективность действия темозоломида на двух линиях клеток глиобластомы U-87MGи SNB-19 на 40 %.

«В борьбе с таким серьезным заболеванием, как глиобластома, все существующие на данный момент методы недостаточно эффективны, поэтому любой положительный эффект крайне важен» говорит Ковалева Ксения, сотрудник НИОХ СО РАН.

Увеличение эффективности темозоломида при использовании одновременно с ингибиторами TDP1 в отношении клеток глиобластомы ранее в мире не было обнаружено и опубликованная работа является пионерской в этой области. Работа ученых поддержана молодежными грантами РФФИ и РНФ.

Kovaleva K., Oleshko O., Mamontova E., Yarovaya O., Zakharova O., Zakharenko A., Kononova A., Dyrkheeva N., Cheresiz S., Pokrovsky A., Lavrik O., Salakhutdinov N.Dehydroabietylamine Ureas and Thioureas as Tyrosyl-DNA Phosphodiesterase 1 Inhibitors That Enhance the Antitumor Effect of Temozolomide on Glioblastoma Cells//J Nat Prod.  2019, 82, 9, 2443-2450