Idarubicin bara en bland många antracykliner, eller?

Idarubicin bara en bland många antracykliner, eller? H CH 3 H H 3 C H H H 2 N Uppsala Universitet Institutionen för Läkemedelskemi Avdelningen för Farmakognosi Biologiskt aktiva naturprodukter i läkemedelsutveckling, 5 p, Ht 2006 Handledare: Ulf Göransson Författare: Christer Sjöqvist

Innehållsförteckning Historik s. 3 Varför projektet startade s. 3 Isolering s. 3 Biologisk aktivitet s. 4 Läkemedelsutveckling s. 6 Klinisk effekt och användning s. 6 Tillverkaren berättar s. 7 Diskussion s. 7 Referenser s. 9 2

Historik Antracykliner anses vara bland de mest effektiva anticancerläkemedel som någonsin hittats (Minotti et al., 2004). Trots stora försök att utveckla nya läkemedel med bättre farmakologiska egenskaper, är daunorubicin, doxorubicin, epirubicin och idarubicin fortfarande de mest använda läkemedlen mot cancer (Zagotto et al., 2001). De första antracyklinerna isolerades från den pigmentproducerande bakterien Streptomyces peucetius under tidigt 1960 tal. De första isolerade antracyklinerna var daunorubicin och doxorubicin (Minotti et al., 2004). Daunorubicin, som var den första antracyklinen som introducerades på marknaden 1967, används nu för tiden endast vid akuta granulocytiska och lymfocytiska leukemier. Daunorubicin administreras enbart intravenöst, dess halveringstid är 30 minuter, och metabolismen av daunorubicin sker huvudsakligen i levern till den aktiva metaboliten daunorubicinol men även till andra metaboliter. Vid metabolismen av daunorubicin bryts aglykondelen (icke sockerdelen) bort från glykondelen (sockerdelen). Trots att det bara är en liten skillnad i struktur mellan daunorubicin och doxorubicin har doxorubicin en bred verkan mot tumörer (nepolasmer) i människa. Doxorubicin används tillsammans med cyklofosfamid, vinkristin, bleomycin och prednison (Zagotto et al., 2001). Varför projektet startade Det största problemet då man hittar nya potentiella anticancermedel, är att de oftast ger allvarliga biverkningar på vitala organ, till exempel benmärgen. Då utvecklandet av antracyklinerna påbörjades, var man således ute efter en substans som var relativt effektiv men som inte skulle ge de synbara och omedelbara biverkningar som tidigare cancerläkemedel i hög grad orsakat (Nature, 1974). Isolering Då idarubicin i sig inte extraherats fram från en naturlig källa utan producerats syntetiskt kan det för den fulla förståelsen av antracykliners mekanismer vara väl värt att beskriva isoleringen av en annan antracyklinanalog. Ur Streptomyces olindensis isolerades retamycin (ett antracyklinkomplex), först av en forskningsavdelning i Brasilien under 1960 talet. Retamycin har kunnat isolerats fram med hjälp av Aqueous two phase systems (ATPS), ett vattenhaltigt tvåfassystem. Huvudsakligen består systemet av en polyetylenglykoldel (PEG) och en saltdel. Systemet är mycket bra på att fördela ämnen efter deras storlek, laddning och hydrofobicitet. Möjligheter att förändra i tvåfassystemet för bättre separation av ämnen, 3

bortsett från att ändra salt eller polymer i systemet, kan vara ändringar i polymerens molekylvikt, koncentrationerna av salt och polymer, jonstyrkan samt ph. Mutantstammen Streptomyces olindensis So20 odlades i ett semisyntetiskt odlingsmedium bestående av glukos, jästextrakt, kaseinhydrolysat (vätskan som kvarstår efter att kasein hydrolyserats), tri(hydroxymetyl) aminometan, K2S4 samt MgCl2 6H2. dlingen skedde i en bioreaktor under 48 timmar, vid 500 varv per minut, luftflödet var 4 l/min och temperaturen var 30 C. Därefter centrifugerades de uppodlade bakterierna omgående för att undvika den nedbrytning som annars påbörjar omgående efter odling. För bästa tänkbara utbyte av retamycin tillsattes vid centrifugeringen 10 viktsprocent PEG 6000 och 20 viktsprocent fosfat. Det optimala ph värdet är 6,0, vilket justerades genom att tillsatsen av KH2P4 och K2HP4 anpassades. I studien togs 2 g av odlingsmediet ut och tillsattes till tvåfassystemet. Vatten fylldes på för att erhålla en totalvikt av 10 g. Proven vortexades i 45 sekunder och därefter ställdes proven i en rotations homogeniserare vid 16 varv per minut för att få proven att jämna ut sig mellan faserna. Slutligen centrifugerades proven i 5 minuter vid 1000 g, varpå proven (innehållande olika mängder retamycin) kunde uttagas. Bäst utbyte fick man vid ovan angivna förhållanden och utbytet av retamycin blev då 91,3 % av det totala retamycininnehållet i bakterierna (Esmanhoto & Vahan Kilikian, 2004). Biologisk aktivitet Antracykliner används för att behandla ett stort antal maligna (elakartade) tumörer och är bland de mest effektiva behandlingarna mot bröstcancer. Antracyklinerna tros verka på flera sätt men deras huvudsakliga verkningsmekanism är att hämma topoisomeras II (Geffen & Man, 2002). Topoisomeras II verkar utan att påverka vare sig struktur eller sekvens hos deoxynukleotiden. Däremot orsakar de ett dubbelsträngsbrott och först efter ändringar i konfigurationen hos dubbelhelixspiralen återsluts de båda strängarna (Minotti et al., 2004). 4

Fig. 1: 4 olika antracykliner, doxorubicin (DX), daunorubicin (DNR), epirubicin (EPI) och idarubicin (IDA). Pilen vid strukturen hos EPI visar förändringen som gjorts i den semisyntetiska varianten jämfört med ursprungsmolekylen doxorubicin. Hydroxylgruppen i C4 position i daunosaminen har bytt stereoisomeri från axiellt till ekvatoriellt läge. Pilen i strukturen för idarubicin visar att metoxygruppen tagits bort i C4 positionen, i D ringen, vid jämförelse med den syntetiska substansen idarubicin och den i naturen förekommande strukturen daunorubicin (Minotti et al., 2004). Antracyklinen verkar genom att först stabilisera den reaktionsintermediär som bryter DNA strängarna. Då antracyklinen sedan binder kovalent till tyrosindelen av topoisomeras II påskyndas återslutningen av DNA spiralen. Bildandet av det stabila trevärda komplexet, antracyklin DNA topoisomeras II, styrs av de i molekylerna väldefinierade strukturerna, se figur 1. Interkaleringen i DNA styrs av antracyklinens plana ringsystem, ring B och C överlappar de närliggande basparen i DNA strukturen och ring D tar sig igenom interkaleringsplatsen. De icke kalerande delarna, cyklohexanringen (A) och sockerringen, verkar spela den huvudsakliga rollen vid formeringen och stabiliteten av det ternära komplexet. Sockergruppen har i detta läge sin lokalisation i den mindre fåran i DNA spiralen, och detta är den troligaste orsaken till att antracyklinen kan vara ett starkt gift mot topoisomeras II. Ökning av den topoisomeras II hämmande effekten fås om aminosubstitenten i C3 position i sockerdelen tas bort, men även om metoxygruppen tas bort i C4 position i D ringen. Detta har gjorts vid syntesen av idarubicin, se figur 1 (Minotti et al., 2004). Studier har också visat att såväl idarubicin som doxorubicin kan påverka topoisomeras I (som normalt kan ge kortvariga enkelsträngsbrott) (Minotti et al., 2004). 5

Läkemedelsutveckling Sedan 1960 talet då den första antracyklinen isolerades har över 200 naturligt förekommande antracykliner hittats och flera hundra derivat har syntetiserats. Att så mycket tid lagts ner på att hitta den perfekta antracyklinen är beror till stor del på de många allvarliga biverkningarna läkemedelsgruppen kan föra med sig. Bland de många biverkningarna kan nämnas illamående, kräkningar, stomatit samt myelosuppression. Med myelosuppression menas att bildningen av blodkroppar i benmärgen går långsammare. Då minskar infektionsskyddet på grund av att leukocyter ej kan bildas. Anemi kan också uppkomma på grund av brist på röda blodkroppar och det finns risk för spontanblödningar på grund av för få trombocyter i blodet (Zagotto et al., 2001; Wikipedia, 2006.09.21). Men den kanske allvarligaste biverkningen är en kumulativ dosstyrd skada på hjärtvävnaden. Dessutom är det hög risk för multi drug restistance (MDR) vid bruk av antracykliner. Fortfarande är daunorubicin, doxorubicin, idarubicin och epirubicin de mest använda antracyklinerna inom cancerterapin (Zagotto et al., 2001). Idarubicin, som är en syntetisk analog, har större effekt mot akut myeloisk leukemi än sin naturliga ursprungsmolekyl, daunorubicin, som länge var den ledande substansen vid behandling av leukemi. En förklaring till detta kan vara att idarubicin vid in vitro studier setts vara mindre känslig mot p glykoproteinmedierat läkemedelsutflöde (mekanismen för multiläkemedelsresistens). Som enda antracyklin kan idarubicin även administreras per oralt. Hos patienter med en mild grad av icke Hodgkins lymfom ses en hög grad av effekt och en liten toxicitet vid en kemoterapibehandling som består av endast oral behandling med idarubicin (Geffen & Man, 2002). Idarubicin är betydligt mindre hjärttoxisk än flertalet andra antracykliner (Zagotto et al., 2001). Klinisk effekt och användning Idarubicin förekommer som ett varumärke på den svenska marknaden, Zavedos. Zavedos finns som pulver till injektionsvätska, lösning men också i form av hårda kapslar i styrkorna 5, 10 och 25 mg. Zavedos används vid akut myeloisk leukemi. Myeloisk leukemi är blodcancer som orsakas av överskott av myeloiska vita blodkroppar (granulocyter) i blodet. Dessa granulocyter har bildats i benmärgen (FASS, 2006.09.21). Myeloisk leukemi behandlas oftast med kombinationsbehandling med en antracyklin (till exempel idarubicin eller daunorubicin), och deoxycytidinanalogen cytarabin. mkring 50 75 % av alla vuxna med akut myeloisk leukemi får total minskning av sjukdomen vid behandling med cyarabin och antracyklinen. 6

Dessvärre kommer enbart 20 30 % av de behandlade att uppleva långtida sjukdomsfri överlevnad (Tallman et al., 2005). m idarubicin ges i kombination med två olika histondeacetylashämmare (HDACls): vorinostat och valproinsyra, ses en signifikant förbättrad kliniskt effekt hos patienter med leukemi (Sanchez Gonzalez et al., 2006). Tillverkaren berättar Vid kontakt med Pfizer AB som idag är ägare till marknadens enda produkt innehållande den aktiva substansen idarubicin, fick vi dessa besked: Kristina Ljungholm, Medical Information fficer, Medicinska avdelningen, Pfizer AB skrev: Idarubicin forskades fram på Farmitalia Carlo Erba, som gick ihop med KabiPharmacia som så småningom blev Pharmacia som köptes upp av Pfizer. Enligt Pfizer AB, den nuvarande ägaren av produkten Zavedos, är produkten inte en stor produkt på marknaden, dock vill de inte avslöja försäljningssiffror för produkten. Produkten har funnits ett flertal år på marknaden (Ljungholm, personligt meddelande, 2006.09.19). De största fördelarna med idarubicin framför de historiskt mer använda analogerna daunorubicin och doxorubicin är att studier visat att idarubicin har bättre effekt, den ger mindre risk för resistensutveckling och att produkten kan ges per oralt (Ljungholm, personligt meddelande, 2006.09.19). Diskussion I naturen finns det mycket stora möjligheter att hitta farmakologiskt intressanta substanser. I många fall kan dessa strukturer dock förändras, för ännu bättre effekt och ibland även för minskad biverkningsfrekvens. För idarubicin har man såväl förbättrat effekten mot myeloisk leukemi som minskat graden av biverkningarna jämfört med förlagan daunorubicin. Det finns möjligheter att producera såväl semisyntetiska produkter med en modifiering i originalstrukturen, som totalsyntetiska substanser då man endast använt originalstrukturen som mall. Detta medför, att en läkemedelskandidat som hittats i naturen kan göras ännu mer effektiv mot den önskade sjukdomen om man modifierar den via totalsyntes eller semisyntes. Med idarubicin har man fått en antracyklin med bättre effekt och mindre allvarliga biverkningar (däribland hjärttoxiciteten) än de flesta andra 7

antracykliner. Idarubicin är också den enda antracyklin som kan administreras per oralt, de andra måste injiceras. Trots de många fördelarna idarubicin har jämfört med daunorubicin är Zavedos (idarubicin) fortfarande en liten produkt på marknaden. Vad detta kan bero på är svårt att gissa, men en möjlighet kan vara att daunorubicin och doxorubicin är så etablerade på marknaden att idarubicin inte riktigt får möjlighet att helt ta över marknaden. Det kan dock vara på det sättet att de olika antracylinerna påverkar olika tumörvarianter. Med tanke på detta är nog idarubicin fortfarande bara en av många antracykliner, men med tanke på effekt och biverkningar har idarubicin kanske lite bättre egenskaper än många andra antracykliner. 8

Referenser [1] Minotti, G., Menna, P., Salvatorelli, E., Cairo, G. and Gianni, L. Anthracyclines: Molecular Advances and Pharmacologic Developments in Antitumor Activity and Cardiotoxicity. Pharmacological Reviews 2004, Vol. 56, 185 229. [2] Zagotto, G., Gatto, B., Moro, S., Sissi, C. and Palumba, M. Anthracyclines: recent developments in their separation and quantitation. Journal of Chromatography B 2001, Vol. 764, 161 171. [3] Nature News and Views, Towards a more efficient use of cardiotoxic agents. Nature 1974, Vol. 248, 10. [4] Esmanhoto, E. and Vahan Kilikian, B. ATPS applied to extraction of small molecules polycetides and simultaneous clarification of culture media with filamentous microorganisms. Journal of Chromatography B 2004, Vol. 807, 139 144. [5] Geffen, D. B. and Man, S. New Drugs for the Treatment of Cancer, 1990 2001. The Israel Medical Association Journal 2002, Vol. 4, 1124 1131. [6] Wikipedia The Free Encyclopedia. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/myelosuppression 2006.09.21 [7] FASS, URL: http://www.fass.se/lif/home/soktraffar_all.jsp?searchtext1=zavedos 2006.09.21. [8] Tallman, M. S., Gilliland, D. G. and Rowe, J. M. Drug therapy for acute myeloid leukaemia. Blood 2005, Vol. 106, 1154 1163. [9] Sanchez Gonzalez, B., Hui Yang, H., Bueso Ramos, C., Hoshino, K., Quintas Cardama, A., Richon, V. M. and Garcia Manero, G. Antileukemia activity of the combination of an anthracycline with a histone deacetylase inhibitor. Blood 2006, Vol. 108, 1174 1182. 9