The Importance of Heterocyclic Compounds in Anti-Cancer Drug Design
Heterocykly jsou klíčovými strukturními složkami mnoha protinádorových léčiv, která jsou dnes dostupná na trhu. Vskutku, z nových molekulárních protinádorových látek schválených úřadem FDA v letech 2010-2015 téměř dvě třetiny obsahovaly ve své struktuře heterocyklické kruhy.
Jejich převahu při navrhování protinádorových léčiv lze částečně přičíst tomu, že jsou v přírodě extrémně běžné, přičemž se vyvinula schopnost interakce s nimi u obrovského množství buněčných procesů a mechanismů. Jejich univerzálnost znamená, že v rámci nádorové patologie existuje mnoho metabolických drah a buněčných procesů, které mohou být citlivé na léčiva na bázi heterocyklů.
V tomto článku se zabýváme některými nejdůležitějšími heterocyklickými sloučeninami, které se v současné době uplatňují v terapii rakoviny, a to jak na trhu, tak ve vývoji, diskutujeme o vlastnostech, které je činí cennými jako protinádorová léčiva, a zvažujeme výhody zařazení heterocyklů do vysoce výkonných screeningových knihoven.
Heterocykly, definované jako cyklické sloučeniny obsahující atomy uhlíku a alespoň jednoho dalšího prvku (např. dusíku, kyslíku a síry), jsou v biologii běžné a vyskytují se v široké škále struktur od kofaktorů enzymů až po aminokyseliny a proteiny. Hrají zásadní roli v metabolismu všech živých organismů a jsou využívány téměř ve všech fázích mnoha biochemických procesů nezbytných pro udržení života.
Jejich rozšířenost je částečně dána širokou škálou interakcí, kterých se tyto struktury účastní, což umožňují fyzikálně-chemické vlastnosti jejich heteroatomů, které se mohou chovat jako kyseliny nebo zásady v závislosti na pH jejich prostředí (1).
Schopnost heterocyklů zapojit se do široké škály mezimolekulárních interakcí, včetně schopnosti donorů/akceptorů vodíkových vazeb, pistackových interakcí, koordinačních vazeb kovů, jakož i van der Waalsových a hydrofobních sil, jim umožňuje vázat se s enzymy mnoha způsoby. Široká škála velikostí kruhů a strukturních permutací navíc znamená, že heterocykly mají širokou škálu tvarů a velikostí, což jim umožňuje přizpůsobit se stejně rozmanitému strukturnímu rozsahu vazebných kapes enzymů.
Vzhledem k jejich funkční všestrannosti, mimořádně častému výskytu v přírodě a zapojení do velkého množství biologických drah, budou zvýšené investice do návrhu protinádorových léčiv na bázi heterocyklů i nadále ospravedlňovat jejich místo v závodě v boji proti jedné z nejničivějších chorob světa?
Úloha heterocyklů v návrhu protinádorových léčiv
Právě proto, že jsou heterocykly v přírodě tak rozšířené, se staly tak důležitými pro návrh protinádorových léčiv. Sloučeniny na bázi heterocyklů, které představují extrémně velkou kohortu molekul s tak nebývalou mírou variability, pokud jde o interakce, do nichž se mohou zapojit, nepřekvapivě znovu a znovu tvoří základ léčebných postupů.
Jelikož mnoho enzymových vazebných kapes je předurčeno k interakci s heterocyklickými molekulami, jsou heterocykly dobrou volbou při navrhování molekul, které budou interagovat s cíli a narušovat biologické dráhy spojené s progresí rakoviny. Dráhy související s růstem a vývojem buněk jsou často cílem takových protinádorových terapií. Navíc relativní snadnost, s jakou lze heterocyklické kruhy modifikovat dalšími substituenty, jim umožňuje pokrýt širokou oblast chemického prostoru, což je dále kvalifikuje jako vynikající výchozí body pro vývoj protinádorových léčiv.
V důsledku těchto faktorů hrají heterocyklické struktury již dlouho klíčovou roli při navrhování protinádorových léčiv a zaujímají významné místo ve sloučeninách protinádorových léčiv, které jsou v současnosti dostupné na trhu. Ve skutečnosti 65 % protinádorových léčivých přípravků schválených úřadem FDA v letech 2010-2015 obsahovalo heterocyklus a heterocykly tvoří základ mnoha protinádorových látek, které jsou v současné době ve vývoji.
Heterocykly na bázi dusíku
Heterocykly na bázi dusíku mají při navrhování protinádorových léčiv zvláštní význam, neboť se objevují v téměř třech čtvrtinách heterocyklických protinádorových látek schválených úřadem FDA v letech 2010-2015. Ze všech dusíkatých heterocyklů patří indoly k nejcennějším, přičemž výzkum prokázal jejich schopnost vyvolat buněčnou smrt u řady nádorových buněčných linií (2).
V posledních několika desetiletích bylo prokázáno, že indol a jeho deriváty modulují řadu biologických drah, které se podílejí na progresi rakoviny. Patří mezi ně prevence buněčné signalizace, normální progrese buněčného cyklu, vaskularizace nádoru a opravy DNA, stejně jako schopnost indukovat buněčný oxidativní stres a buněčnou smrt. Dvě z nejdůležitějších prvních protinádorových látek na bázi indolů jsou vinkristin a vinblastin – uznávané pro svou inhibici polymerace tubulinu již od počátku a poloviny 60. let 20. století a obě mají klinický význam dodnes.
Vinkristin (obrázek 1) se používá jako kombinovaná léčba akutní lymfoblastické leukémie a Hodgkinova i nehodgkinského lymfomu, zatímco vinblastin se obvykle používá při léčbě pokročilé Hodgkinovy choroby a proti rakovině varlat. Mechanismus účinku vinblastinu spočívá v inhibici polymerizace tubulinu, což vede k zastavení buněčného cyklu a zastavení dělení nádorových buněk (3).
Indolokarbazoly jsou blízce příbuzné deriváty indolů, které podobně jako v případě širší působnosti samotných heterocyklů vykazují širokou škálu účinků, a proto se jim v posledních letech věnuje značná pozornost pro jejich protinádorový potenciál. Zvláštní význam má skutečnost, že mnohé indolokarbazoly se osvědčily jako inhibitory proteinkináz, kde konstitutivně aktivní proteinkinázy jsou často klíčovými faktory maligní transformace buněk při vzniku rakoviny.
Jeden z takových indolokarbazolů, protinádorová látka midostaurin (vícecílový inhibitor proteinkináz na bázi indolokarbazolu), byl schválen úřadem FDA pro léčbu akutní myeloidní leukémie teprve v dubnu 2017, což ukazuje, jak relevantní jsou heterocykly na bázi dusíku pro návrh protinádorových léčiv i v současnosti.
Heterocykly na bázi kyslíku
Heterocykly obsahující kyslík rovněž zaujímají významné místo v mnoha protinádorových léčivých přípravcích. Mezi prvními byl objeven paklitaxel, který je klíčovým lékem v léčbě rakoviny. Obsahuje oxetanový kruh a jeho způsob účinku je založen na depolymeraci polymerů mikrotubulů, což vede k postupné inhibici mitózy v nádorových buňkách. Podobně jako u vinblastinu dochází ke zpomalení dělení nádorových buněk, což v konečném důsledku vede k zastavení rakoviny.
Přes jeho přínosy však existuje řada systémových vedlejších účinků, které jsou s tímto lékem spojovány, včetně přecitlivělosti, hematologických problémů a neurotoxicity. V důsledku toho bylo věnováno mnoho úsilí hledání alternativních léčebných postupů, které mají méně nežádoucích účinků, ale stále vykazují silný terapeutický potenciál paklitaxelu.
Mezi nově vyvinuté heterocyklické protinádorové léky obsahující kyslík patří inhibitory mikrotubulů kabazitaxel a eribulin, které se používají k léčbě prostaty, resp. metastazujícího karcinomu prsu. Kabazitaxel (obrázek 2) je tubulin-stabilizátor, ale předpokládá se, že je zvláště zajímavý pro léčbu multirezistentních nádorů díky své rezistenci vůči buněčnému efluxu pomocí efluxní p-glykoproteinové pumpy, kterou exprimuje řada rezistentních nádorových buněk (4,5).
Kabazitaxel je rovněž schopen procházet hematoencefalickou bariérou. Mechanismus účinku eribulinu je na druhou stranu poněkud unikátní, během buněčného dělení se váže pouze na rostoucí konce mikrotubulů (kdežto jiná léčiva se vážou na rostoucí i zkracující se konce), což vede k prodloužené mitotické blokádě a nakonec k buněčné smrti prostřednictvím apoptózy (6). Jak již bylo zmíněno, eribulin se používá k léčbě pokročilého karcinomu prsu a je nejen účinný, ale ve srovnání s alternativními cytotoxickými látkami vykazuje i nízkou míru toxicity, takže je pro pacienty ideální (7).
Nedávný výzkum navíc vedl k repurposingu stávajících heterocyklických léčiv na bázi kyslíku, původně vyvinutých pro jiné oblasti onemocnění, pro použití jako protinádorových látek. Jedním z pozoruhodných příkladů je auranofin, heterocyklická sloučenina obsahující zlato, která se historicky používala k léčbě revmatické artritidy.
Probíhá řada studií zaměřených na hodnocení auranofinu jako léčebného prostředku pro léčbu mnoha typů rakoviny, včetně leukémie, lymfomu a rakoviny vaječníků (kde nedávno získal souhlas FDA k provedení druhé fáze klinických zkoušek). Repurposing léčiv tímto způsobem je mnohem dostupnějším přístupem k objevování léčiv vzhledem ke značným nákladům spojeným s identifikací nových kandidátů a dalšími výzkumnými a vývojovými činnostmi (8).
Heterocykly na bázi síry
Síra je klíčovou složkou několika vitaminových kofaktorů, cukrů a nukleových kyselin a hraje důležitou roli v regulaci translace prostřednictvím sulfurace transferové RNA. Vzhledem k významu síry v biologických systémech byla heterocyklům obsahujícím síru věnována velká pozornost při vývoji protinádorových léčiv, podobně jako jejich protějškům na bázi kyslíku a dusíku.
Například v nedávné screeningové studii byla hodnocena antiproliferační aktivita derivátů thiofenu vůči buňkám lidského adenokarcinomu prsu, přičemž bylo zjištěno, že řada sloučenin vykazuje slibné inhibiční účinky. Vědci uvedli, že jejich zjištění by mohla poskytnout základ, na jehož základě by mohly být v budoucnu navrženy inhibitory tyrosinkináz s menšími vedlejšími účinky (9).
Kromě toho se v posledních letech ukázalo, že pro výzkum rakoviny mají význam také thiadiazolové a thiazolové struktury; nedávno bylo prokázáno, že řada heterocyklů na bázi dusíkatých hořčíků thiazolů vykazuje silnou inhibiční aktivitu vůči panelu lidských nádorových buněčných linií. Dabrafenib je protinádorová molekula obsahující thiazol, která byla v roce 2013 schválena úřadem FDA pro použití u pacientů s rakovinou spojenou s mutovanou verzí genu BRAF.
Jednou z takových skupin pacientů byli pacienti trpící metastazujícím melanomem, u něhož bylo prokázáno, že téměř polovina jedinců má mutovanou verzi genu BRAF. První studie ukázaly, že tito pacienti měli v důsledku léčby dabrafenibem výrazně lepší klinické výsledky a skutečně povzbudivou míru přežití (10).
Z těchto pokroků je zřejmé, že heterocykly mnoha různých druhů nadále tvoří základ mnoha úspěšných protinádorových léčebných postupů. Není proto divu, že jsou i nadále v centru pozornosti v oblasti objevování léčiv, přičemž vývojáři léčiv chápou, že jejich rozsáhlý repertoár molekulárních interakcí z nich činí fantastické kandidáty na protinádorová léčiva.
Putting heterocycles at the heart of anti-cancer drug discovery
I přes širokou škálu heterocyklických protinádorových léčiv, která jsou v současné době na trhu k dispozici, je nutné pokračovat ve vývoji nových protinádorových látek, a to kvůli problémům spojeným s rezistencí na více léčiv, nízkou terapeutickou účinností, nežádoucími vedlejšími účinky a špatnou biologickou dostupností. Většina léků dostupných na trhu začíná svou cestu objevování a vývoje léků jako „hitové“ sloučeniny ve vysoce výkonných screeningových testech.
Příklad olaparib, heterocyklický inhibitor PARP-1, který byl koncem roku 2014 schválen úřadem FDA pro léčbu rakoviny vaječníků (obr. 3).
PARP-1 je nejpočetnějším členem rodiny enzymů poly ADP ribóza polymerázy (PARP), které se podílejí na řadě důležitých buněčných funkcí včetně oprav DNA, buněčné replikace a diferenciace a nekrózy. Některé formy rakoviny jsou ve srovnání s běžnými buňkami více závislé na PARP, včetně buněk s mutací BRCA, které spoléhají na PARP jako na kritický mechanismus opravy DNA. To činí z enzymů PARP obzvláště atraktivní lékový cíl ve výzkumu rakoviny.
Mnoho inhibitorů PARP napodobuje nikotinamidovou strukturu biologické molekuly nikotinamidadenindinukleotidu (NAD+), která se podílí na normální funkci PARP-1, s cílem narušit vazbu substrátu na aktivní místo enzymu. Olaparib působí tímto způsobem a tím, že brání rakovinným buňkám v opravě DNA zprostředkované PARP, je schopen zastavit jejich dělení, protože buňka nedokáže opravit fatální poškození DNA.
Nedávná klinická studie fáze III na přibližně 300 ženách s metastazujícím karcinomem prsu souvisejícím s BRCA ukázala, že podávání olaparibu snížilo pravděpodobnost progrese pokročilého karcinomu o 42 %, přičemž samotná progrese byla oddálena přibližně o tři měsíce (11).
Vývoj samotného olaparibu začal život z počátečního screeningu Maybridge Compound Collection, knihovny více než 53 000 sloučenin podobných hitům a sloučenin podobných leadům. Z tohoto screenu byl identifikován nikotinamidový mimik S 15065, který má potenciální aktivitu proti PARP-1.
Systematickými studiemi struktury a aktivity založenými na prodlužování řetězce a substituci fenylového kruhu byla struktura S 15065 systematicky upravována a vylepšována tak, aby se maximalizovala vazebná schopnost mezi sloučeninou a PARP-1. Tento vývojový proces byl výrazně usnadněn a urychlen díky identifikaci silného kandidátního „hitu“ s žádoucími vazebnými vlastnostmi.
Závěr
Vzhledem k jejich rozšířenosti v přírodě i jejich strukturní a chemické rozmanitosti hrají heterocykly nesmírně důležitou roli při objevování protinádorových léčiv. Jejich zařazení do přibližně dvou třetin protinádorových léčiv schválených Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) v první polovině tohoto desetiletí podtrhuje jejich trvalý význam ve výzkumu rakoviny, přičemž výzkum znovu a znovu prokazuje jejich ústřední roli v boji proti rakovině.
Používání screeningových kolekcí sloučenin se silným zaměřením na struktury na bázi heterocyklů může vést nejen k identifikaci velkého počtu potenciálně úspěšných kandidátů na léčiva, ale může také urychlit proces vývoje léčiv, což v konečném důsledku šetří čas, peníze a zdroje. DDW
–
Tento článek původně vyšel v DDW Summer 2017 Issue
–
Simon Pearce je manažerem tržního segmentu pro organické chemikálie ve společnosti Thermo Fisher Scientific a dohlíží na obě portfolia organických produktů Acros Organics a Alfa Aesar. Simon nastoupil do společnosti Thermo Fisher jako syntetický chemik v roce 1984 v rámci společnosti Maybridge a má více než 30 let zkušeností v chemickém průmyslu.
1 Komeilizadeth, H (2006). Dává příroda přednost heterocyklům? Iranian Journal of Pharmaceutical Research (Íránský časopis pro farmaceutický výzkum), 4: 229-230.
2 El Sayed, MT et al (2015). Indoles as Anticancer Agents [Indoly jako protinádorové látky]. Adv Mod Oncol Res, 1: 20-25.
3 Haque, IU (2010). Vinblastine: A Review (Přehled). J Chem Soc Pak, 2: 245-258.
4 National cancer institute (2017). NCI Drug Dictionary (Slovník léčiv NCI):
5 Callagham, R et al (2014): Cabazitaxel. Inhibice P-glykoproteinu vícečetné lékové rezistence: Čas na změnu strategie? Drug Metab Dispos, 42: 623-631.
6 Shetty, N a Gupta, S (2014). Přehled léčivého přípravku Eribulin. South Asian J Cancer, 3: 57-59.
7 Ates, O et al (2016). Účinnost a bezpečnost monoterapie přípravkem Eribulin u pacientek s těžce předléčeným metastatickým karcinomem prsu. J BUON, 21: 375-381.
8 Roder, C a Thomson, M (2015). Auranofin: Repurposing an Old Drug for a Golden New Age (Přepracování starého léku pro nový zlatý věk). Drugs R D, 15:13-20.
9 Said, M a Elshihawy, H (2014). Syntéza, protinádorová aktivita a vztah struktury a aktivity některých protinádorových látek na bázi cyklopenta(b)thiofenového skeletu. Pak J Pharm Sci, 27:885-92.
10 Welsh, S a Corrie, P (2015). Zvládání toxicity inhibitorů BRAF a MEK u pacientů s metastazujícím melanomem. Ther Adv Med Oncol, 7:122-136.
11 Americká společnost klinické onkologie (2017). Olaparib zpomaluje růst metastatického karcinomu prsu spojeného s BRCA.
.