Plinabulin (NPI- 2358)-

Transkript

1 Plinabulin (NPI- 2358)- En lovande substans för framtida cancerbehandling Författare: Emma Dilén Kurs: Biologiskt aktiva naturprodukter i läkemedelsutveckling 7,5 hp A8 Avdelningen för Farmakognosi Institutionen för Läkemedelskemi Uppsala Universitet

2 Sammanfattning Cancer tillhör ett av de sjukdomsområden med betydande medicinska behov och här kan nyttan av kemiska substanser från marina organismer ge uppslag till forskning. Angiogeneshämmare är ett exempel på målinriktade läkemedel vid cancerbehandling, som utvecklas i allt större utsträckning tack vare ny forskning. Plinabulin är ett nytt tillskott till cancerforskningen och är en av flera syntetiska analoger av den naturligt förekommande substansen halimid. Substansen är en angiogeneshämmare tillhörande läkemedelsgruppen vascular disrupting agents (VDA) och utvecklas för behandling av tumörsjukdomar och genomgår för tillfället kliniska fas II- studier. Studier i djurmodeller har visat att plinabulin har anticancer- aktivitet mot flera mänskliga cancercellinjer. Resultat från studier där humana umbilikala venendotelceller (HUVECs) behandlats med plinabulin visar en minskning av cellernas mikrotubuli innehåll och detta sker redan vid tillsatts av låga koncentrationer av substansen. Forskarna har också kunnat påvisa att plinabulin har en motsvarande effekt, om inte överlägsen, i jämförelse med andra VDAs. Vidare indikerar prekliniska data en fördelaktig effekt- och toxicitetsprofil vid behandling med plinabulin, vilket även har bekräftats via inledande kliniska prövningar. Detta har påvisats både vid singelbehandling med plinabulin och vid kombinationsbehandling med cytostatika preparatet docetaxel. 2

3 Innehållsförteckning Inledning 4 Läkemedelsutveckling 5 Ursprung 6 Metodbeskrivning för isolering av plinabulin 6 Biologisk aktivitet 6-7 Klinisk effekt och användning 8-9 Diskussion 10 Referenser 11 3

4 Inledning Antalet cancerdiagnoser ökar och är en av de vanligaste dödsorsakerna i dag. Flera cancerformer är behandlingsbara men går inte att bota och det medicinska behovet av nya och effektivare cancerbehandlingar med färre biverkningar är stort. Naturprodukter utgör en stor del av modern drug discovery, där stort fokus ligger på organismer med marint ursprung. Havslevande organismer har på grund av ett evolutionärt tryck utvecklat specifika försvarsmekanismer i syfte att konkurrera ut andra arter, genom att producera potenta kemiska substanser. Produktion av kemiska ämnen har även utnyttjats för kommunikation mellan organismer, reproduktion och reglering av olika biologiska system. Genom dessa unika kemiska substanser alstras en hot spot diversity som är speciellt intressant i läkemedelsforskning. Marina miljöer är dessutom till stor del outforskade, vilket ger möjligheter att upptäcka nya substanser med potential att användas som farmakologiska verktyg eller att bli nya läkemedel. Många av de sekundära metaboliter som marina mikrober producerar som kemiskt försvar, har visat sig interagera med proteiner som är delaktiga i många mänskliga sjukdomar. Det här kan utnyttjas i jakten på nya läkemedelssubstanser inom flera terapeutiska områden. För närvarande finns det flera kandidater till framtida läkemedel med potential att användas i cancerbehandling som genomgår sen klinisk utvecklingsfas. En substans som visar både terapeutisk och kommersiell potential är plinabulin (NPI- 2358) (Bhatnagar och Kim, 2010). 4

5 Läkemedelsutveckling Cancerläkemedels farmakologiska effekt utgörs av förmågan att avdöda cancerceller och dessa cytotoxiska egenskaper går att hitta hos produkter från marina miljöer. Mer än 60 procent av redan befintliga cancerläkemedel som i dag används i klinisk praxis är derivat från naturen. Att studera och förstå cancercellers molekylära mekanismer är centralt för att hitta nya angreppspunkter för läkemedel. Tumörers tillväxt, metastasering och lokala spridning är beroende av tillgång till blod. Tumörceller bildar nya blodkärl, som förser vävnaden med syre och näring samt tar hand om avfall, genom patologisk angiogenes. Angiogenes innebär produktion av specifika tillväxtfaktorer som stimulerar nybildning av blodkärl och har följaktligen en stor betydelse för tumörers överlevnad. Att hämma angiogenes processen är således ett sätt att förhindra tillväxt och spridning av cancerceller och det finns flera möjliga angreppspunkter för att åstadkomma detta. Angiogeneshämmare har på senare år fått ett ökat intresse och erbjuder en lovande utvecklingsväg i samband med cancerbehandling. Hittills utvecklade målinriktade cancerläkemedel kan delas in i två grupper med avseende på verkningsmekanism. Vascular disrupting agents (VDA) är en läkemedelsgrupp som utövar sin effekt genom att angripa endotelceller och pericyter (celltyp i blodkärlsväggen) på redan utvecklad tumörvaskulatur och berövar tumören på syre som leder till nekrotisk celldöd, vilket är fördelaktigt vid behandling av tumörer vars tillväxt befinner sig i ett sent stadium. Så kallade antiangiogenes agens tillhör en läkemedelsgrupp som inkluderar tillväxtfaktorn VEGF (vascular endothelial growth factor) och dess receptorer, monoklonala antikroppar och tyrosinkinashämmare. Dessa verkningsmekanismer lämpar sig för att förebygga ny blodkärlstillväxt av relativt nyupptäckta tumörer (Gridelli et al., 2009). Till skillnad från normala blodkärl har blodkärl som livnär tumörer hög permeabilitet och består till stor del av snabbt tillväxande endotelceller och saknar strukturellt stöd i form av bland annat bindväv och glatt muskulatur (Millward et al., 2012). Tumörers endotelceller saknar även utvecklade aktinfilament och är därmed mer beroende av mikrotubuli- nätverket för att upprätthålla sin cellstruktur jämfört med normal vaskulatur. Prolifierande HUVECs, mänskliga umbilik venendotelceller, saknar också välutvecklade aktinfilament och är därför lämpliga att använda som in- vitromodeller för tumörvaskulatur endotelceller. De VDA:s som idag finns tillgängliga på marknaden inkluderar preparaten Colchicine och dess analoger samt alkaloiden Vincristine. Dessa substanser klassas som tubulin- destabilizing agents, vilket innebär att de orsakar kollaps av tumörvaskulatur genom depolymerisering av mikrotubuli i de snabbt tillväxande endotelcellerna (Nicholson et al., 2006). 5

6 Ursprung Plinabulin är en av flera syntetiska analoger av den naturligt förekommande substansen halimid, NPI (diketopiperazine phenylahistin), vilken är isolerad från den marina svampen Aspergillus sp. i Bahamas, av forskaren William Fenical verksam vid Scripps Institution of Oceanography i UC San Diego. Plinabulin utvecklas för behandling av tumörsjukdomar och genomgår för tillfället kliniska fas- II studier (Zhao, 2011). Metodbeskrivning för isolering av plinabulin Som nämnts ovan, är plinabulin en helsyntetisk analog av föreningen halimid (diketopiperazine phenylahistin) som isolerats från den marina svampen Aspergillus sp. Produktionen av phenylahistin liknar svampens egen produktion av sporer och därmed kunde ett odlingsmedium med en miljö anpassad för sporbildning användas för att producera phenylahistin. Svampen isolerades till ett agarmedium som inkuberades i 28 C i 8 dagar. Odlingsplattorna extraherades därefter med etylacetat och separerades på en silicagel- kolumn med en etylacetat- acetongradient och eluerades med 2 % metanol i kloroform. De fraktioner som visade cellhämmande- aktivitet isolerades och evaporerades för att sedan återupplösas i etylacetat, varvid phenylahistins struktur kunde fastställas med hjälp av masspektrometri, NMR och IR (Kanoh et al., 1997). Biologisk aktivitet Plinabulin tillhör läkemedelsgruppen VDA och har i genomförda in- vitrostudier uppvisat en cytotoxisk aktivitet tillsammans med en fördelaktig säkerhets- och toxicitetsprofil. Resultat från en studie publicerad i den vetenskapliga tidskriften Bioorganic & Medical Chemistry Letters år 1997 indikerade att ursprungssubstansen phenylahistin, som är en svamp diketopiperazin metabolit, hade cytotoxiska egenskaper samt cellcykelhämmande- aktivitet. Phenylahistins cytotoxiska egenskaper testades i P388 murina leukemiceller och man upptäckte att enbart S- enantiomeren ((- )- phenylahistin) hade cellcykelhämmande- aktivitet. Testerna visade att (- )- phenylahistin hämmade cellcykeln i P388- celler under cellcykelns G 2 /M- fas. Den biologiska aktiviteten av varje enantiomer kunde fastställas med hjälp av kiral HPLC (Kanoh et al., 1997). För att syntetisera endast den önskade enantiomeren med hög renhet och för att optimera den biologiska aktiviteten, syntetiserades en rad olika analoger av phenylahistin. Plinabulin är en av dessa analoger som man valt att forska vidare på (Nicholson et al., 2006). Den aktiva isomeren av plinabulin har påvisats förhindra tumörers celldelning genom att binda till ett specifikt bindningsställe på β- tubuli ( colchicine- binding site ), vilket omöjliggör polymerisation av det cytoplasmatiska mikrotubulära nätverket och resulterar i syrebrist och tumörregression (Singh et al., 2011). In- vitrostudier indikerar också att plinabulin har en direkt cytotoxisk effekt på snabbt tillväxande endotelceller. 6

7 Plinabulins kemiska struktur skiljer sig från andra VDA:s som likartat binder till colchicine target site, vilket tidigt gav förhoppningar om annan effekt- och toxicitetprofil. I en in- vitrostudie från 2006 testades plinabulins anticancer- egenskaper mot sex olika mänskliga cancercellinjer. Cancercellinjerna som ingick representerade rektalcancer, prostatacancer, bröstcancer, leukemi och icke- småcellig lungcancer. Substansens cytotoxiska effekt testades även mot MDR- celler. MDR- celler är tumörceller som utvecklat resistens mot vissa cytotoxiska preparat genom olika mekanismer. Vissa tumörceller utvecklar resistens genom ett överuttryck av en P- glycoprotein effluxpump. Preparatet Vincristine, bland andra, är ett substrat för denna effluxpump och transporteras således ut ur cellen. Resultaten visade att plinabulin hade cytotoxisk aktivitet mot samtliga cell- linjer med IC 50 - värden från 4,3 till 18 nmol/l, vilket pekar på att plinabulin har samma aktivitet som sin ursprungssubstans NPI Resultaten bekräftade även att plinabulin var mer potent i jämförelse med Colchicine och Vincristine och hade motsvarande effekt med Colchicines analog, CA4. Vidare upptäcktes plinabulin ha effekt mot resistenta tumörcell- linjer, MDR- celler. Dessutom behandlades även så kallade HUVECs med plinabulin i olika koncentrationer. Mikrotubuli innehållet kunde synliggöras med hjälp av immunofluorescens. Avsaknad av mikrotubulära- nätverk indikerade att plinabulin inducerade depolymerisation av mikrotubuli, vilket även skedde vid tillsatts av låga koncentrationer av substansen (Nicholson et al., 2006). Ytterligare en studie utförd i mänskliga MM- celler (multipelt myelom, cancersjukdom som uppstår i benmärgen) visade att plinabulin hade förmågan att selektivt inducera celldöd i MM- celler, utan påverkan på normala celler. Celler från patienter med multipelt myelom isolerades och behandlades med olika koncentrationer av plinabulin och cellviabiliteten mättes därefter med hjälp av olika tekniker. Studien visade att den inducerade celldöds- effekten av plinabulin utgjordes av substansens förmåga att få cancerceller att genomgå apoptos. Data från studien indikerar också att plinabulin inducerar apoptos genom aktivering av proteinerna kaspaser och proteinet JNK, vilka är viktiga vid programmerad celldöd. Vid tillsats av kaspashämmare och JNK- hämmare reducerades plinabulins apoptosinducerandeeffekt. Vidare visade studien att JNK aktiveras långt innan aktivering av kaspaser sker. Resultaten visar att aktivering av dessa proteiner är nödvändiga för induceringen av apoptos, där JNK troligen fungerar som primärt målprotein för plinabulin. Dessa prekliniska fynd som indikerade plinabulins antitumöraktivitet gjorde substansen aktuell för fortsatta studier (Singh et al., 2011). 7

8 Klinisk effekt och användning Plinabulin är fortfarande under utveckling och har genomgått inledande kliniska prövningar med positiva resultat. Den första kliniska studien är en fas- 1 studie från 2010, omfattande 38 patienter med avancerade solida tumörer eller lymfom. Samtliga patienter som deltog i studien erhöll intravenös infusion av plinabulin under en 4- veckorscykel. Syftet med studien var, förutom att bekräfta substansens biologiska aktivitet samt toxicitetsprofil, bestämma en rekommenderad fas- 2 dos. Dosen ökades stegvis i enlighet med utformat dosupptrappningsschema i syfte att utvärdera säkerhet och tolerabilitet. Startdosen valdes till 2mg/m 2 baserat på dokumenterade toxicitetsstudier. Kända biverkningar vid behandling av VDA- preparat omfattas bland annat av neurologiska och kardiologiska biverkningar samt övergående hypertoni och tumörrelaterad smärta. Mindre vanliga biverkningar såsom myelosuppression, mukosit, långvarig hypertoni och blödningar har också rapporterats. De biverkningar som observerades vid behandling med plinabulin var kräkningar, förvirring, trötthet och tumörrelaterad smärta. Biverkningsprofilen med avseende på frekvens och svårighetsgrad skiljde sig mellan patienterna. Dock var majoriteten av biverkningarna milda till måttliga i svårighetsgrad och kunde övervägande behandlas effektivt med symtomlindrande läkemedel, såsom antiemetika och analgetika. Med hjälp av hjärtövervakning kunde man även visa att plinabulin inte påverkade hjärtfunktionen utöver de tillfälliga förändringar av blodtryck och hjärtfrekvens som registrerats. Vidare studerades effekterna av plinabulin på tumörblodflöde med hjälp av dynamisk kontrastförstärkt magnetresonanstomografi (DCE- MRI) hos 17 patienter. Resultatet påvisade en signifikant sänkning av tumörblodflödet, där en sänkning större än 20 % jämfört med baseline- värdet observerades hos 40 % av patienterna vid en dos på 13,5 mg/m 2 och 20 mg/m 2 och vid dosen 30 mg/m 2 observerades en sänkning hos 77 % av patienterna. Utifrån detta fastställdes biologisk effektiv dos (BED) till 13,5 mg/m 2 och rekommenderad fas- II dos till 30 mg/m 2. Sammantaget visar denna studie att veckovis behandling med plinabulin generellt sett tolereras väl med övervägande hanterbara biverkningar vid tillägg av symtomlindrande läkemedel. Studien indikerar även att plinabulin inducerar en dosberoende reduktion av tumörblodflöde (Mita et al., 2010). Plinabulin har även studerats som potentiell tilläggsbehandling till andra cytotoxiska substanser. En fas- I studie som publicerats i den vetenskapliga tidskriften, Invest New Drugs, indikerar att kombinationsbehandling med plinabulin och docetaxel ger gynnsamma resultat gällande effekt och säkerhet vid framskriden icke- småcellig lungcancer. I studien användes standarddos av docetaxel (75 mg/m 2 ) och dosen för plinabulin titrerades upp från biologisk effektiv dos (13,5 mg/m 2 ) till rekommenderad fas- II dos (30 mg/m 2 ). Totalt ingick 13 patienter med framskriden tidigare behandlad icke- småcellig lungcancer. Inga läkemedelsinteraktioner förelåg baserat på farmakokinetiska data. Kombinationen av plinabulin och docetaxel tolererades i allmänhet väl och de biverkningar som observerades motsvarade de biverkningar som rapporterats vid singelbehandling av respektive preparat, vilket inkluderade illamående, 8

9 kräkningar, diarré, trötthet och smärta. I enlighet med resultaten från den första kliniska studien visade plinabulin ingen påverkan på hjärtfunktion eller på neurologiska funktioner och inga fall av blödningar observerades. Vidare visade studien att plinabulin reducerade incidensen av neutropeni, som hör till en av de vanligaste biverkningarna vid docetaxel monoterapi. Studien indikerar även att kombinationsbehandling med plinabulin och doceatxel ger ökad effekt i jämförelse med singelterapi av docetaxel. Forskarna understryker dock att studien är begränsad gällande både studiepopulationens storlek och urval och ytterligare studier krävs således för att kunna dra dessa slutsatser. Konklusionen av studien är att kombinationsbehandling av plinabulin och docetaxel inte genererar en ökad toxicitet och utgör därmed ett lovande behandlingsalternativ i jämförelse med andra kombinationsbehandlingar av VDA:s och cytotoxiska substanser. Nästa steg blir att vidare studera kombinationsbehandling med plinabulin och docetaxel i en klinisk randomiserad fas- II studie i patienter med framskriden tidigare behandlad icke- småcellig lungcancer (Millward et al., 2012). 9

10 Diskussion Marina ekosystem har en komplex kemisk och genetisk mångfald och erbjuder således en stor variation av biologisk aktivitet. Tillsammans med en ökad förståelse för de grundläggande biologiska mekanismerna bakom uppkomsten av tumörceller är det därför möjligt att hitta nya substanser med ny eller förbättrad biologisk aktivitet för behandling av cancer. Snabb utveckling av nya tekniker möjliggör även förbättrad screening och analys av substanser med potentiell användbar biologisk aktivitet. Substanser som fungerar som naturens försvarsmolekyler är högst selektiva, vilket möjliggör riktade behandlingar. Att en stor del av den marina faunan inte är exploaterad ger förhoppningar om att fler potentilla läkemedelssubstanser finns att finna, för användning inom flera terapeutiska områden med otillfredsställda medicinska behov. Utvecklingen av substanser som angriper angiogenes processen är central för nya behandlingsterapier mot olika cancerformer. Plinabulins struktur gav tidigt förväntningar om en fördelaktig effekt- och toxicitetsprofil, vilket idag har bekräftats genom prekliniska studier samt tidiga kliniska prövningar. Kliniska uppgifter visar plinabulins förmågan att selektivt angripa etablerade tumörblodkärl och initiera tumörnekros. Riktade terapier tros bättre kunna möta de kliniska behov som finns. Vidare har plinabulin visat positiva resultat vid kombinationsbehandling med docetaxel. Flera kliniska studier för utvärdering av kombinationsbehandlingar med plinabulin och konventionella cytostatika är på gång. Kombinationsbehandlingar, där substanser med olika effekt och toxicitet kombineras, skapar nya behandlingsalternativ och kan öka nyttan med behandlingen. Plinabulin är en substans som har potential att användas mot flera tumörformer och har även visat ha effekt mot resistenta tumörcell- linjer. Resistensutveckling utgör ett problem vid cancerterapi och det är viktigt att hitta läkemedel som motverkar resistens. Resultaten från genomförda kliniska prövningar motiverar ytterligare studier. Med dessa data som stöd är det rimligt att anta att plinabulin har lovande framtidsutsikter och förhoppningsvis är risken för bakslag under sen klinisk fas låg. Det ska bli intressant att se hur utvecklingen fortskrider och jag tror att plinabulin är en substans som vi kommer få höra mer om i framtiden. 10

11 Referenser Bhatnagar, I., Kim, S.K. (2010). Immense Essence of Excellence: Marine Microbial Bioactive Compounds. Marine Drugs; 8, Gridelli, C., Rossi, A., Maione, P., Rossi, E., Castaldo, V., Sacco, P.C., Colantuomi, G. (2009). Disrupting Agents: A Novel Mechanism of Action in the Battle Against Non- Small Cell Lung Cancer. The Oncologist. Vol. 14, no. 6, Kanoh, K., Kohno, S., Asari, T., Harada, T., Katada, J., Muramatsu, M., Kawashima, H., Sekiya, H., Uno, I. (1997). (- )- Phenylahistin: A new mammalian cell cycle inhibitor produced by Aspergillus ustus. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, Vol. 7, No. 22 pp Millward, M., Mainwaring, P., Mita, A., Federico, K., Lloyd, G.K., Reddinger, N., Nawrocki, S., Mita, M., Spear, M.A. (2012). Phase 1 study of the novel vascular disrupting agent plinabulin (NPI- 2358) and docetaxel. Invest New Drugs. 30: Mita, M.M., Spear, M.A., Yee, L.K., Mita, A.C, Heath, E.I., Papadopoulos, K.P., Federico, K.C., Reich, S.D., Romero, O., Malburg, L., Pilat, M., Lloyd, G.K., Neuteboom, S., Cropp, G., Ashton, E., Lorusso, P.M. (2010). Phase 1 First- in- Human Trial of the Vascular Disrupting Agent Plinabulin (NPI- 2358) in Patients with Solid Tumors or Lymphomas. Clinical Cancer Research, 16;5892. Nicholson, B., Lloyd, G.K., Miller, B.R., Palladino, M.A., Kiso, Y., Hayashi, Y., Neuteboom, S. (2006). NPI is a tubulin- depolymerizing agent: in- vitro evidence for activity as a tumor vascular- disrupting agent. Anti-Cancer Drugs 17: Singh, A.V., Bandi, M., Raje, N., Richardson, P., Palladino, M.A., Chauhan, D., Anderson, K.C. (2011). A novel vascular disrupting agent plinabulin triggers JNK- mediated apoptosis and inhibits angiogenesis in multiple myeloma cells. Blood, Journal of the American society of hematology. May 26. Vol. 117, no. 21; Zhao, X- Q. (2011). Genome- Based Studies of Marine Microorganisms to Maximize the Diversity of Natural Products Discovery for Medical Treatments. Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine. Vol. 2011, Article ID , 11 pages. 11