/

Terapia celowana w naprawę DNA – przyszłość w leczeniu?

avatar
Daria Kołodziejska 12 maja, 7 minut czytania

 

 

Terapia celowana stanowi nową i atrakcyjną formę leczenia chorób nowotworowych, z którą obecnie wiąże się duże nadzieje, związane zarówno ze skutecznością leczenia przeciwnowotworowego, jak i z wydłużeniem przeżycia pacjentów. Dynamiczny rozwój biologii molekularnej oraz genetyki przyczynia się w ostatnich latach do wzrostu wiedzy o biologii nowotworów, zwłaszcza o poszczególnych szlakach biochemicznych w komórkach organizmu człowieka. Poznawane są specyficzne zaburzenia genetyczne, prowadzące do powstania nowotworów. Wiele nadziei wiąże się z terapią celowaną, molekularnie polegającą na aplikowaniu leku skierowanego bezpośrednio w mutację lub defekty szlaków metabolitycznych znajdujących się w komórkach nowotworowych. Warunkiem takiego leczenia będzie zatem znalezienie i określenie zmienionego genu/białka powstałego na matrycy nieprawidłowego genu, który będzie stanowił cel molekularny.

Komórki nowotworowe cechuje duża zmienność genetyczna w różnych genach. Prowadzi ona do dominacji procesów ukierunkowanych na zaburzenia w równowadze komórki oraz dominacji procesów ukierunkowanych na niekontrolowane namnażanie. W komórkach nowotworowych niekiedy receptorów jest zbyt dużo lub wykazują nadekspresję, w przeciwieństwie do prawidłowych komórek, gdzie receptory działają prawidłowo i służą do odbierania sygnałów wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych. Dzięki wiedzy o tych nieprawidłowościach możliwe jest skonstruowanie leku, który działałby wybiórczo tylko na komórki nowotworowe. Jednak taka terapia celowana obecnie może wyleczyć tylko niektóre typy nowotworów, ponieważ nowotwory są heterogenne [1]. Przykładem terapii celowanej jest leczenie personalizowane w czerniaku u pacjentów ze stwierdzoną mutacją V600E genu BRAF. Ta mutacja powoduje produkcję nieprawidłowego białka, które przekazuje sygnał do podziału komórki w sposób niekontrolowany i niepohamowany.z Lekami z wyboru są inhibitory BRAF np. dobrafenib i vemurafenib. Inhibitory są to substancje chemiczne powodujące spowolnienie lub całkowite zatrzymanie reakcji chemicznej wskutek obniżenia aktywności katalizatora (enzymu). Inhibitory BRAF hamują zatem działanie nieprawidłowych białek powstałych w wyniku mutacji genu BRAF i przerywając w ten sposób szlak sygnałów zmuszających komórkę nowotworową do podziału i wzrostu. Innym przykładem jest leczenie personalizowane raka jelita grubego, w którym mogą być stosowane przeciwciała monoklonalne [2] skierowane przeciwko receptorowi dla epidermalnego czynnika wzrostu (EGFR), np. paniturumab. Jednak takie terapie nie zawsze są skuteczne. Nowotwór może wykształcić nowy mechanizm i obejść tę blokadę, ponieważ w komórkach przez cały czas mogą zachodzić nowe mutacje. Czasami u pacjentów występują też ciężkie skutki uboczne, przez co leczenie musi być przerwane.

Badania naukowe z zakresu biologii molekularnej nowotworów wykazały, że komórki nowotworowe posiadają zdolność do naprawy indukowanego terapeutycznie uszkodzenia DNA. Takie uszkodzenie może powstać m.in. w wyniku promieniowana wykorzystywanego w radioterapii. Zatem zdolność komórek nowotworowych do naprawy DNA może wpływać na obniżenie skuteczności leczenia. W tym celu rozpoczęto poszukiwanie/opracowywanie nowych środków przeciwnowotworowych, które byłyby ukierunkowane na szlaki naprawy DNA. Takie leki mogłyby na przykład zwiększać wrażliwość na tradycyjne chemoterapeutyki [3] oraz na radioterapię [4]. Nowe podejścia do badań nad lekami przeciwnowotworowymi opierają się na opracowaniu chemicznych inhibitorów o wysokim powinowactwie do zmutowanych białek.

Uszkodzenie DNA może powstać z wielu przyczyn, zarówno endogennych, jak i egzogennych, jednak niezależnie od źródła, reagowanie na to uszkodzenie jest kluczowe dla życia komórki oraz całego organizmu. Czynniki endogenne to m.in. reaktywne formy tlenu [5] powstające w prawidłowych procesach metabolicznych komórki. Natomiast egzogennymi mogą być czynniki chemiczne, m.in.: analogi zasad, związki alkilujące [6] i aromatyczne [7] oraz czynniki fizyczne, takie jak: światło UV, czy promieniowanie jonizujące. W wielu przypadkach komórka zostaje „poświęcona” dla dobra organizmu – wchodzi na szlak apoptozy. Naturalnym procesem programowanej śmierci komórki jest właśnie apoptoza. Jest niezbędna do zachowania homeostazy (równowagi) tkankowej [8]. Jej biologiczna rola polega na eliminowaniu zużytych i uszkodzonych komórek, które mogłyby być szkodliwe dla organizmu. Transformacja nowotworowa zapewnia komórce pewne korzyści, ale także powoduje podatność na zagrożenia, które można wykorzystać w leczeniu.

Naprawa uszkodzeń DNA jest złożonym procesem, który polega na określonych ścieżkach, w celu naprawy konkretnych uszkodzeń. Naprawy uszkodzeń pojedynczej nici DNA to: naprawa przez wycięcie nukleotydu (NER, ang. nucleotide excision repair), naprawa przez wycinanie zasady (BER, ang. base excision repair) i naprawa niesparowanych zasad (MMR, ang. mismatch repair). NER jest specyficzny w naprawie dużych uszkodzeń DNA, które zniekształcają strukturę podwójnej helisy [9]. Polega na wycinaniu uszkodzonych nukleotydów. Podczas gdy BER jest odpowiedzialny za usuwanie niewielkich uszkodzeń DNA. Dotyczy wycinania i naprawy pojedynczych zasad, które uległy modyfikacjom chemicznym (np. alkilacji, deaminacji). Szlak MMR koryguje błędy powstałe przy replikacji i rekombinacji DNA, powodujące powstanie niesparowanych zasad. Uszkodzenia obu nici (DBS, ang. double-strand breaks) polegają na zerwaniu obu łańcuchów nukleotydowych w podwójnej helisie. Są bardzo niebezpieczne dla komórki, ponieważ mogą prowadzić do nieodwracalnych zmian w genomie. Istnieją dwa mechanizmy naprawy DBS: łączenie niehomologicznych końców (NHEJ) oraz rekombinacja homologiczna (HR, ang. homology repair) lub inaczej naprawa rekombinacyjna. NHEJ jest wykorzystywany do naprawy pęknięć w przypadku braku homologicznych sekwencji mogących posłużyć do odtworzenia nici. Mechanizm ten nie zawsze jest dokładny i może prowadzić do utraty, bądź dodania nowych nukleotydów w uszkodzonym rejonie DNA. Natomiast rekombinacja homologiczna może zajść, gdy w jądrze znajduje się homologiczny fragment DNA. Polega na zastosowaniu homologicznej sekwencji matrycy do syntezy sekwencji komplementarnej do uszkodzonego obszaru genomu. Naprawa DNA odgrywa kluczową rolę w rozwoju i odpowiedzi na leczenie ogromnej gamy nowotworów. Prowadzone są wzmożone wysiłki w celu potwierdzenia odpowiedzi na uszkodzenie DNA i mechanizmy naprawy jako celów do opracowania leków przeciwko nim. Nowe podejścia do terapii przeciwnowotworowej zapewniły nowe mechanizmy specyficznego celowania w komórki nowotworowe, oszczędzając komórki prawidłowe, dzięki czemu zmniejszyła się toksyczność związana z leczeniem.

Komórki nowotworowe charakteryzują się niestabilnością genetyczną wynikającą m.in. z niedziałających genów naprawy DNA i rekombinacji DNA [10]. Przez to są wrażliwe na czynniki, których działanie jest częścią syntetycznej letalności [11]. Syntetyczne terapeutyki w odróżnieniu od konwencjonalnych leków chemoterapeutycznych wykorzystują różnice między komórkami nowotworowymi a normalnymi, poprzez celowanie w określony produkt genowy (przypominający fenotyp spowodowany mutacją). Inhibitory PARP (PARPi) ukierunkowane na enzym polimerazę poli-ADP-rybozy są pierwszymi zatwierdzonymi klinicznie lekami tego typu w terapii przeciwnowotworowej. Wykorzystują one mechanizm sztucznie wywoływanej letalności – „syntetic lethality”.

Wykorzystano je do tej pory w leczeniu raka jajników z niedoborem enzymu BRCA. Enzym PARP bierze udział w naprawie pęknięć jednoniciowych, podczas gdy BRAC jest zaangażowany do naprawy dwuniciowych pęknięć w DNA. W genomie człowieka zidentyfikowano 17 genów kodujących enzymy typu PARP i jest to rodzina białek jądrowych. Enzymami z rodziny PARP są m.in. PARP1, PARP2, PARP3, PARP4. Najlepiej poznanym jest PARP1, nazywany wcześniej także transferazą poli- ADP-rybozy (ADPRT) czy syntetazą PAR. Hamowanie enzymu PARP1 jest selektywnie śmiertelne dla komórki z niedoborem BRCA. Dzieje się tak ze względu na akumulację pęknięć jednoniciowych i przekształcanie ich w pęknięcia dwuniciowe podczas replikacji DNA. Komórka zmutowana lub z niedoborem BRCA nie jest w stanie naprawić tych pęknięć i powoduje to śmierć komórki. Wykazano, że PARP1 wpływa pośrednio i bezpośrednio na naprawę DNA za pośrednictwem wielu ścieżek, np. BER, HR, NER, NHEJ i MMR. Inhibitory PARP (PARPi) to nowa klasa leków o obiecującej skuteczności leczenia raka jajnika, piersi i innych. Pierwszym PARPi zatwierdzonym w grudniu 2014 roku przez FDA [12] jest olaparib (AZD-2281), jako monoterapia u kobiet z rakiem jajnika, które przeszły co najmniej trzy linie chemioterapii i posiadają mutację BRCA. Ponadto olaparib jest badany w kilku badaniach klinicznych jako monoterapia[13] lub w kombinacji w leczeniu guzów litycznych raka piersi, prostaty, jelita grubego i trzustki. PARPi są ogólnie dobrze tolerowanymi środkami doustnymi, a główne skutki niepożądane, jeśli już występują, to nudności, wymioty, zmęczenie i anoreksja. Trwają także dalsze badania mające na celu pogłębienie wiedzy na temat inhibitorów PARP. Dzięki czemu będzie możliwe opracowanie bardziej specyficznych i aktywnych środków, z końcowym celem poprawy leczenia i przeżywalności pacjentów z nowotworem jajnika, piersi oraz innych typów. Badania zmierzają także w kierunku identyfikacji swoistych inhibitorów poszczególnych enzymów rodziny PARP, które zaangażowane są także w procesy zapalne czy reakcję na niedokrwienie. Zapewne będzie to mieć szczególne znaczenie w neurologii czy kardiologii.

Komórki ludzkie mają dwa główne szlaki odpowiedzialne za naprawę DSB DNA: HR i NHEJ. HR bierze udział w naprawie DSB wyłącznie podczas fazy S iG2, natomiast NHEJ jest aktywny przez cały cykl komórkowy. Jest on także dominującym szlakiem naprawy DSB indukowanej promieniowaniem jonizującym (IR). Radioterapia jest jedną z głównych metod leczenia nowotworów, a stosowane w niej promieniowanie jonizujące powoduje różnorodne zmiany DNA. Takie jak modyfikacje końców DNA, pęknięcia pojedynczej nici DNA (SSB, ang. single-strand break) oraz pęknięcia dwuniciowe DNA (DSB). Uważa się, że DSB są najbardziej szkodliwe dla przeżycia komórek i głównym mechanizmem wpływającym na skuteczność terapeutyczną. Zmniejszona możliwość lub niemożność naprawy DSB DNA, powoduje większą wrażliwość na promieniowanie jonizujące. Ponadto komórki wykazujące większą aktywność naprawczą DSB, wykazują odporność na radioterapię zaobserwowaną w wielu typach nowotworów. Opracowanie leków mających na celu modulowanie aktywności naprawczej DSB DNA prawdopodobnie będą miały wpływ na skuteczność radioterapii, dlatego prowadzone są badania z wykorzystaniem inhibitorów DNA-PK i KU 70/80, kluczowych elementów szlaku NHEJ oraz inhibitorów ligazy DNA- poprzez hamowanie ligacji DNA w NHEJ. Badania skupiły się na tych inhibitorach, ponieważ kompleks Ku (ku70 i Ku80) przyłącza się do końca DNA i rekrutuje katalityczną podjednostkę kinazy białkowej (DNA-PKcs). Kompleks który powstał koordynuje NHEJ poprzez autofosforylację i fosforylację innych docelowych białek. Prowadząc do przetwarzania końca DNA przez nukleazy (Artemis), polimerazy (rodzina Pol X). Po zakończeniu przetwarzania kompleks Ligazy IV / XRCC4 / XLF rekrutuje się na końcach DNA i katalizuje ligację DNA DSB. Obecnie trzy inhibitory związane z DNA-PK : MSC2490484A, CC-122 i CC-115 są obecnie badane w badaniu klinicznym fazy I, zarówno w przypadku guzów litych, chłoniaka nieziarniczego, szpiczaka mnogiego, jak i nowotworów hematologicznych.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0163725816000322#!

Postępy w rozumieniu ścieżek naprawy DNA, przyczyniły się do opracowaniu nowych środków do blokowania lub zwiększenia aktywności naprawczej. Potrzebne są jednak dalsze badania. Szlak BER jest jedynym z przykładów atrakcyjnego celu w terapii przeciwnowotworowej. Przeprowadzone dotąd badania naukowe wykazały, że wiele białek biorących udział w szlaku BER jest nieprawidłowo regulowanych w różnych rodzajach nowotworów. W tym celu wyróżniono inhibitory ednonukleazy AP oraz inhibitory DNA Pol β. Jednak w przeprowadzonych dotychczas badaniach żaden z wytypowanych inhibitorów ednonukleazy AP i DNA Pol β ostatecznie nie przynosił oczekiwanych efektów. Wiele pozostałych inhibitorów jest w fazie badań klinicznych lub takie badania mają się w krótce rozpocząć. Dzięki rozwojowi środków ukierunkowanych na szlaki naprawy DNA prawdopodobnie będzie można w przyszłości skuteczniej leczyć nowotwory, ale także i inne schorzenia.

Przypisy:

  1. Heterogenny – różnorodny, każdy człowiek posiada swój własny nowotwór, który może się różnić od innych.
  2. Przeciwciała monoklonalne – to przeciwciała wywodzące się z tego samego klonu limfocytów i rozpoznające z określoną specyficznością ten sam fragment antygenu zwany epitopem.
  3. chemoterapeutyki – leki stosowane w chemioterapii
  4. radioterapia – metoda leczenia za pomocą promieniowania jonizującego
  5. Reaktywne formy tlenu (ROS, ang. reactive oxygen species) – reaktywne indywidua chemiczne zawierające w swoim składzie atomy tlenu z niesparowanym elektronem (rodniki) lub wiązania O−O i są zdolne do uczestniczenia w reakcjach chemicznych, które odgrywają znaczącą rolę w metabolizmie i starzeniu się organizmów żywych.
  6. Związki alkilujące – są silnymi mutagenami, posiadają zdolność modyfikowania puryn i pirymidyn poprzez dołączanie do różnych pozycji w pierścieniach tych zasad grup alkilowych.
  7. Związki aromatyczne – cykliczne węglowodory (areny) i niektóre ich pochodne, mające płaskie pierścienie z układem sprzężonych wiązań podwójnych, w których występuje 4n + 2 elektronów π
  8. Homeostaza – zdolność utrzymywania stałości parametrów wewnętrznych np. tkanki, organizmu
  9. Podwójna helisa – model struktury DNA w postaci podwójnej helisy zaproponowany w 1953 przez Jamesa D. Watsona i Francisa H. C. Cricka. Składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych, które biegną w przeciwnych kierunkach i owijają się wokół wspólnej osi. Zasady azotowe nukleotydów znajdują się wewnątrz podwójnej helisy i są połączone wiązaniami wodorowymi w pary komplementarne
  10. Rekombinacja DNA – jeden z systemów naprawczych DNA, prowadzący do tworzenia różnych kombinacji z uprzednio istniejących sekwencji.
  11. Syntetyczna letalność – mechanizm wywołujący śmierć komórki poprzez działanie na nią związkami chemicznymi.
  12. FDA (ang. Food and Drug Administration) – Agencja Żywności i Leków, amerykańska instytucja rządowa utworzona w 1906 roku przez Harveya Washingtona Wileya. Znana jest z rygorystycznych przepisów dotyczących dopuszczania leków do obrotu, nakazujących producentom przestrzeganie procedur oraz informowanie pacjentów o zagrożeniach związanych ze stosowaniem leków.
  13. Monoterapia – metodzie leczenia polegająca na stosowaniu jednego leku

Bibliografia:

  1. DNA repair targeted therapy: The past or future of cancer treatment? Navnath S.Gavande, Pamela S.Vander Vere-Carozza, Hilary D.Hinshaw, Shadia I.Jalal, Catherine R.Sears, Katherine S.Pawelczak; Pharmacology & Therapeutics; Volume 160, April 2016, Pages 65-83
  2. http://www.phmd.pl/api/files/view/28880.pdf
  3. https://www.cambridge.org/core/journals/expert-reviews-in-molecular-medicine/article/parp-inhibitors-for-cancer-therapy/5779997F69A4D49B4E6A86352EFEE4DF?fbclid=IwAR1nA6oPV2zs6Ttn0kSs0ntbBikZrpUQFrTH-d32HyKh32_VF0Pu613uS9g
  4. https://www.zwrotnikraka.pl/terapia-celowana-molekularnie-onkologia-personalizowana/?fbclid=IwAR1-BlSDwkjliYzs_BcDcjPXXid2rx9rdCm7PrJ5M24oq6RCVxB0qq1RuCY
  5. Inhibitory PARP – podstawy teoretyczne i zastosowanie kliniczne: Sylwia Dębska, Joanna Kubicka, Rafał Czyżykowski, Maja Habib, Piotr Potemski; Postepy Hig Med Dosw (online), 2012; 66: 311-321

 

Podziel się: