Epirubicin. Ett av naturens under för behandling av cancer. Författare: Sara Andersson

Transkript

1 Epirubicin Ett av naturens under för behandling av cancer Författare: Sara Andersson Kurs: Biologiskt aktiva naturprodukter i läkemedelsutveckling 7,5 hp A8 HT2012 Avdelningen för Farmakognosi Institutionen för Läkemedelskemi Uppsala Universitet 1

2 Sammanfattning Naturen är en källa som bidrar till utveckling av medicinska produkter och ett stort antal läkemedel har isolerats härifrån. Mikroorganismer har kommit att spela en ökande roll för utvecklingen av antibiotika och andra läkemedel. Antracyklinerna med sina anticancer-egenskaper kommer från just mikroorganismer och har bidragit till en stor framgång i behandling av flera olika cancertyper så som till exempel lungcancer, bröstcancer och leukemi. Den första antracyklinen, daunorubicin, upptäcktes 1966, följt av doxorubicin Epirubicin som godkändes 1999 av FDA, är genom en modifierad sockerdel, en analog till doxorubicin. Epirubicins biologiska aktivitet kan förklaras genom en hämning av topoisomeras II, vilket är ett enzym som bidrar till replikation av DNA. Metoden för att isolera och extrahera mikroorganismer så som epirubicin kan sammanfattas genom fyra följande steg; jäsning (fermentation) av mikroorganismer i olika media, extraktion av dessa jäsningsprodukter, kemisk analys samt behandling av data för att selektera de mest lämpliga komponenterna. Efter detta sker screening och HPLC-analys av substanser. Trots att mycket resurser och tid läggs på att utveckla ett läkemedel som kan bota cancer har vi idag ännu inte nått hela vägen. Utveckligen av cancerläkemedel från mikroorganismer spelar en viktig roll för att nå de framsteg vi är ute efter. Genom att studera fler mikroorganismer, modifiera redan befintliga substanser från dessa samt att använda nya känsligare analysmetoder kan vi komma ännu närmare en lösning. Innehållsförteckning 2

3 Sammanfattning Introduktion s.4 Historisk bakgrund s.4 Läkemedelsutveckling s.5 Hur forskning på Epirubicin startade s.5 Metodbeskrivning för extraktion och isolering av Epirubicin s.6 Biologisk aktivitet s.7 Klinisk effekt och användning s.8 Farmakokinetiska egenskaper s.8 Biverkningar s.8 Diskussion s.8 Referenslista s.10 Introduktion 3

4 Epirubicin tillhör antracyklingruppen. Antracykliner är ett av de vanligast använda cytotoxiska anticancer-läkemedel i världen (Coukell & Faulds, 1997). Under tidigt 1960-tal isolerades de första antracyklinerna från bakterien Streptomyces peucetius (Minotti et al., 2004). Trots den betydande mängd forskning som området cancer står för är denna sjukdom än idag den näst vanligaste orsaken till död i industrialiserade länder. Kunskapen om cancer har ökat dramatiskt under de senaste decennierna och insatserna att hitta nya sätt att behandla cancer är stora. Medicinska växter och andra marina och terrestra naturkällor är ett betydelsefullt alternativ för att hitta substanser med farmakologiska egenskaper (Efferth, 2006). Historisk bakgrund Naturen har varit en källa för medicinska produkter i tusentals år och ett imponerande antal läkemedel har isolerats från naturen. Under det senaste århundrandet har mikroorganismer spelat en ökande roll i utvecklingen av antibiotika och andra läkemedel för behandling av allvarliga sjukdomar så som cancer (Cragg & Newman, 2001). Mikroorganismernas betydelse då det gäller behandling av cancer påträffades i samband med upptäckten av actinomycin i början av 1940-talet och sedan dess har många substanser med anticanceregenskaper isolerats från naturen. Antracyklinerna är bland de mest effektiva antitumöra läkemedlen och är effektiva mot många olika typer av cancer, så som leukemi, lymfom, bröst, äggstock och lungcancer upptäcktes den första antracyklinen, daunorubicin (daunomycin), vilken produceras naturligt av bakterien Streptomyces peucetius. Doxorubicin (adriamycin) utvecklades Epirubicin är en analog till doxorubicin. Dess sockerdel har modifierats och stereokemin vid hydroxylgruppen vid det fjärde kolet har inverterats. Epirubicin godkändes 1999 av FDA och är att föredra framför doxorubicin då färre biverkningar förekommer med detta preparat (Demain & Sanchez, 2009). Läkemedelsutveckling Figur 1. Molekylstruktur av epirubicin (Qi & Huang, 2001) Läkemedelsutvecklingen från naturkällor kan spåras till observationer gjorde redan i början av 1900-talet myntade Whittaker och Feeny termen allelokemikalier för 4

5 organismer vars ämnen påverkar tillväxten, hälsan och beteendet av andra arter. Allelokemikalier är sekundära metaboliter som oftast fungerar som ett försvar mot konkurrenter, herbivorer och patogener samt som ett signalämne för att locka till sig insekter för reproduktion. Dessa sekundära metaboliter är därför en viktig del för växters överlevnadsstrategi och reproduktion. De har utvecklats under många tusentals, kanske miljontals år. De sekundära metaboliterna från terrestra och marina naturkällor besitter också farmakologiska egenskaper. Då det gäller cancerterapi så är naturprodukter en viktig del i utvecklingen av nya läkemedel då majoriteten av de antitumöra substanser som i dagsläget används kliniskt har sitt ursprung från naturen. Några olika klasser av läkemedelssubstanser är taxaner (exempelvis paclitaxel), vincaalkaloider (exempelvis vinkristin) och antracykliner (exempelvis epirubicin och docorubicin). Under de senaste åren har utvecklingen av cancerläkemedel ändrat inriktning, från screening efter cytotoxiska substanser till att utveckla molekylärt riktade läkemedel. Detta beror på att kunskapen om ett visst läkemedels mekanism ger ett bättre tillvägagångssätt att nå förbättrade kliniska resultat för patienter (Efferth, 2006). Hur forskning på Epirubicin startade De första antitumöra läkemedlen som introducerades på marknaden och användes kliniskt var syntetiska läkemedel baserade på senapsgaser som använts under första världskriget. Med tiden upptäcktes att stor del av de mikrober som användes som antibiotika även var effektiva mot eukaryota celler från svampar och däggdjur. Dessutom fann man även bevis att växters sekundära metaboliter visade aktivitet mot däggdjursceller, inklusive cancerceller. Därför började man redan i början av 1950-talet att utföra en systematisk undersökning av växter och mikrober för att studera deras antitumöra effekter. Från 1940-talets början fram till 2002 har 126 läkemedel registrerats för behandling av cancer, av dessa är majoriteten icke-syntetiska (60-70% beroende på vilken definition man använder sig av). Av dessa 126 läkemedel är 21 (17%) substanser utvunna från mikrober. Det första cancerläkemedlet från en mikrob introducerades i början av 1960-talet, vilket gavs namnet Dactinomycin. De viktigaste läkemedelsubstanserna är de utvunna ur mikrober tillhörande ordningen Actinomycetales, vilka är antracyklinerna. Den mest användbara substansen är daunorubicin och dess derivat doxorubicin. Även fast många liknande substanser har isolerade och karaktäriserade så är det doxorubicin och dess mer moderna derivat epirubicin som blivit godkända att användas som cancerläkemedel (Newman & Cragg, 2005). Metodbeskrivning för isolering och extraktion av mikroorganismer För att beskriva isolering och extraktion av Epirubicin kan en generell metod förklaras. För mikroorganismer börjar läkemedelsutvecklingen med jäsning (fermentation). Något som ska läggas på minnet är att mikroorganismers produktion av sekundära metaboliter till stor del beror på komponenterna av jäsningsmedia. Det 5

6 mest fördelaktiga för att få maximal utdelning av sekundära metaboliter från en bakteriestam är därför att låta dem växa i så många media som möjligt. En selekteringsprocess inkluderar vanligtvis fyra olika delar (Figur 2): Jäsning av varje mikroorganism i olika media Extraktion av dessa jäsningsprodukter Kemisk analys Automatiserad behandling av data för att selektera de mest lämpliga komponenterna Figur 2. Generell överblick gällande selektering av mikroorganismer. Efter det att kemisk analys och selektering utförts får varje mikroorganism växa till sig i större skala för att screening ska bli möjlig. Selektering från jäsningsmedia som bidrar till en bredare kemisk diversitet av substanser utförs genom dataanalys av HPLC-kromatogram av extrakten. En extraktion kan gå till på följande sätt (Figur 3) ; mikroorganismer isoleras och inkuberas vid 220 rpm och 28 C. Sedan tas 0,5 ml av varje prov och överförs till glastuber innehållande olika media. Dessa glastuber inkuberas vid en lutning på 35 under 7 dagar innan skörd. Extraktion av jäsningsprodukterna utförs i 7 ml organiskt lösningsmedel varpå omrörning under en timme i rumstemperatur görs. Efter torkning under nitrogen löses överskottet i 1 ml MeOH och filtreras genom ett 0.2 µm membran för att nå en slutlig koncentration, och analys sker sedan i HPLC (Tormo & García, 2005). 6

7 Figur 3. Extraktion av mikroorganismer I tidigare studier har metoder så som RPLC (Huang & Li, 2005) och HPPLC (Qi & Huang, 2001). använts för att isolera och rena substansen. HPPLC har använts då den tack vare sin kolumn kan utföra svåra separationer snabbt och effektivt. Dessa egenskaper är viktiga, inte minst för dagens läkemedelsutveckling då målet är att introducera nya produkter på marknaden så snabbt som möjligt. Biologisk aktivitet Den biologiska aktiviteten för epirubicin påminner om den för andra antracyklina antitumöra antibiotika. Epirubicin är mest aktiv i S och G2 faserna av cellcykeln, men substansen utövar aktivitet i alla faser av cellcykeln. Epirubicin binder genom interkalering in mellan DNA-baspar och hämmar topoisomeras II, vilket är ett av de viktigaste enzymen för replikation av DNA i cellcykeln. Epirubicin är cytotoxisk in vitro och in vivo mot bröstcancer och andra humana tumörceller, och celldöd ökar med en ökad läkemedelskoncentration (Coukell & Faulds, 1997). Klinisk effekt och användning Epirubicin är ett cytotoxiskt antiboitikum med antitumör effekt. Substansen används främst för att behandla patienter med bröstcancer (Coukell & Faulds, 1997). Preparatet används också för behandling av äggstock, mage-tarm och lungcancer samt lymfom (Demain & Sanchez, 2009). Epirubucin administreras separat eller i kombination med ett eller flera andra cancerläkemedel till patienter med tidigt utvecklad bröstcancer och även till dem med metastatiska sjukdomar. Det finns en tydlig korrelation mellan dosen av epirubicin och tumörrespons. Högre doser har genererat ökat svar i patienter med avancerad bröstcancer, men man har inte kunnat fastställa en total ökad överlevnad. Kombinationen av epirubicin med ett nyare 7

8 preparat så som paclitaxel har visat en lovande effekt. Svarsfrekvensen då standarddoser av epirubicin ges vid monoterapi varierar mellan 16-50% (Coukell & Faulds, 1997). Farmakokinetiska egenskaper Efter intravenös administrering genomgår epirubicin trifasisk elimination från plasma med en halveringstid på 18 till 45 timmar. Läkemedlet har en stor distributionsvolym och är koncentrerad till olika typer av normala vävnader och cancervävnader.epirubicin genomgår en omfattande hepatisk metabolism till metaboliterna epirubicinol, aglykon och glukuronid. 6-7% av läkemedlet elimineras renalt i en oförändrad form medan 35% av den administrerade dosen genomgår gallexkretion (Coukell & Faulds, 1997). Biverkningar Epirubicin i höga kumulativa doser kan orsaka kronisk irreversibel kardiomyopati vilket i sin tur kan leda till hjärtsvikt. Detta sker även för doxorubicin men den maximala rekommenderade kumulativa dosen för epirubicin är mycket högre än motsvarande dos för doxorubicin. Hjärtövervakning rekommenderas vid varje ny behandlingscykel för patienter där samtidiga hjärtproblem finns. Samtidig administrering av en ACE-hämmare har visats reducera inducerad hjärtsvikt som. Andra biverkningar av epirubicin inkluderar mukosit (inflammation i munslemhinnan), illamående, kräkningar, håravfall samt lokala kutana reaktioner vid injektionsstället (Coukell & Faulds, 1997). Diskussion En slutsats som kan dras utifrån detta arbete är att källor från naturen spelar en mycket viktig roll för utvecklingen av läkemedel. Trots en mycket omfattande cancerforskning har man ännu inte lyckats utveckla ett läkemedel som kan bota cancer. Utvecklingen av anticancerläkemedel från mikroorganismer har hittills varit mycket lovande och ännu har inte sista ordet sagts i denna spännande progress. Det finns fortfarande många substanser från mikroorganismer vars effekter inte studerats, och redan utvecklade substanser med lovande verkan som med olika modifikationer har möjlighet att fungera ännu bättre och med färre biverkningar. I framtiden kommer nya effektiva och känsligare analysmetoder utvecklas som säkerligen också kommer att ha en bidragande faktor till att fortfarande okända substanser från naturkällor identifieras. 8

9 Referenslista Coukell, A.J. & Faulds, D. Epirubicin. (1997). An updated review of its pharmacodynamic and pharmacokinetic properties and therapeutic efficacy in the management of breast cancer. Drugs, 53(3), Cragg, G.M. & Newman, D.J. (2001). Natural product drug discovery in the next millennium. Pharmaceutical Biology, 39, Demain, A.L. & Sanchez, S. (2009). Microbial drug discovery: 80 years of progress. The Journal of Antibiotics, 62, Efferth, T. (2006). Pharmacognosy and molecular pharmacology of small molecules of natural origin for cancer therapy and chemoprevention. Current Drug Targets, 7(3), Huang, J. & Li, R. (2005). Isolation and purification of Epirubicin from raw product by preparative chromatography on a silica column with aqueous-rich mobile phase. Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies, 28(17),

10 Minotti, G., Menna, P., Salvatorelli, E., Cairo, G & Gianni, L. (2004). Anthracyclines: Molecular advances and pharmacological developments in antitumor activity and cardiotoxicity. Pharmacological reviews, 56, Newman, D.J. & Cragg, G.M. (2005). The Discovery of Anticancer Drugs From Natural Sources in Zhang, L. & Demain, A.L. (ed.), Natural products: Drug discovery and therapeutic medicine. Humana Press Inc., Totowa, NJ Qi, Y. & Huang, J. (2001). Application of preparative chromatography to the isolation of epirubicin from raw product. Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies, 24(18), Tormo, J.R. & García, J.B. (2005). Automated analyses of HPLC profiles of microbial extracts in Zhang, L. & Demain, A.L. (ed.), Natural products: Drug discovery and therapeutic medicine. Humana Press Inc., Totowa, NJ