Oddziaływania DNA z lekami antracyklinowymi

Właściwości lecznicze znacznej części dotychczas stosowanych terapeutyków wiążą się bezpośrednio z oddziaływaniem z DNA. Na aktywność biologiczną leku w miejscu związania wpływa przede wszystkim specyficzność sekwencyjna wiązania oraz kinetyka asocjacji.

Istnieje kilka sposobów odziaływania cząsteczek leków z helisą DNA. Są to:

 interkalacja,

 bisinterkalacja,

 wiązanie w małym rowku,

 wiązanie w dużym rowku,

 wiązanie kowalencyjne (alkilacja),

 niespecyficzne wiązanie na zewnątrz nici.

W swojej pracy skupiłam się na odziaływaniach leków poprzez interkalację pomiędzy pary zasad DNA. W związku z tym przybliżę dokładnie mechanizm tego typu oddziaływań.

Termin interkalacja wywodzi się od łacińskiego słowa intercalare, co w dosłownym znaczeniu oznacza „wsuwać się”. Określa ona, zatem wsuwanie się płaskich heterocyklicznych pierścieni aromatycznych pomiędzy pary zasad podwójnej helisy DNA. Są to wiązania typu niekowalencyjnego, w których lek utrzymywany jest sztywno w położeniu prostopadłym do osi spirali. Leki wnikające do wnętrza struktury DNA w taki sposób nazywamy interkalatorami.

Podczas tworzenia kompleksu z DNA interkalatory ustawiają się prostopadle do osi helisy i równolegle do płaszczyzny par zasad. Kompleks ten stabilizowany jest wiązaniami hydrofobowymi oraz odziaływaniami π- π orbitali chromoforu i zasad azotowych. Związki

63

interkalujące preferują sekwencjezasad, w których występuje przewaga par G-C [230].

Proces interkalacji został zilustrowany na rysunku 14.

Rys. 14. Schemat interkalacji cząsteczki pomiędzy zasady azotowe w DNA.

W następstwie interkalacji następują zmiany w trzeciorzędowej strukturze DNA z zachowaniem nienaruszonej struktury pierwszo- i drugorzędowej. Zmiany w strukturze trzeciorzędowej związane są z pionowym rozsunięciem par zasad, wydłużeniem cząsteczki i częściowym zdeformowaniem łańcucha cukrowo - fosforanowego. Podczas interkalacji wiązania wodorowe pomiędzy zasadami w ich parach zasadniczo zostają nienaruszone. Jednak struktura helikalna DNA zostaje naruszona, co może prowadzić do lokalnego rozplatania się nici. To częściowe rozkręcanie się helisy powoduje zmiany w kącie skręcenia, który w stosunku do standardowej helisy różni się o 10 – 26°. Zmianie ulegają również odległości pomiędzy sąsiadującymi parami zasad; zwiększają się one średnio z 3,4 Å do 7,8 Å. Inną ważną konsekwencją interkalacji jest utrata zdolności DNA do replikacji i transkrypcji [231].

Związki interkalujące DNA muszą spełniać szereg warunków związanych z ich budową wewnętrzną. Przede wszystkim muszą być zbudowane z 3 do 4 pierścieni aromatycznych tworzących płaską cząsteczkę, której powierzchnia nie przekracza 0,28 nm² a wysokość 0,34 nm. Do tej pory poznano kilka grup leków – interkalatorów. Są to między innymi:

aktynomycyny, akrydyny, związki antrachinonowe, pochodne mitoksantonu i antracykliny [232].

64

Antybiotyki antracyklinowe są grupą interkalatorów szeroko stosowaną w terapiach przeciwnowotworowych. Ich naturalne formy izoluje się z grzybów streptomyces, a nastepnie modyfikuje w ramach różnego typu syntez chemicznych. Zbudowane są z policyklicznego antrachinonu - układu aromatycznego i hydrofobowego oraz z hydrofilowej reszty aminocukrowej. Ze względu na budowę chemiczną antracykliny możemy podzielić na:[233]

 antracykliny I klasy, które posiadają układ hydrochinonu w pierścieniu B aglikonu i boczny łańcuch w pozycji C13 pierścienia A oraz monosacharydową resztę cukrową np. doksorubicynę, daunorubicynę czy epirubicynę.

 antracykliny II klasy, które w swojej budowie posiadają monofenolową grupę w pierścieniu B, łańcuch alkilowy w pierścieniu A aglikonu oraz polisacharydową resztę cukrową z wiązaniami o- glikozydowymi, np.: aklarubicynę i marcellomycynę.

Mechanizm działania antracyklin jest skomplikowany, jednak wiadomo, iż ich głównym celem jest atak na DNA. Występowanie płaskich pierścieni w ich strukturze warunkuje interkalację pomiędzy pary zasad DNA i blokadę procesu transkrypcji poprzez inhibicję topoizomerazy II jak i również wytwarzanie wolnych rodników. Mechanizm ich działania zależy ściśle od stężenia leku, czasu jego działania oraz różnic w strukturze poszczególnych cząsteczek antracyklin. Przy niskich stężeniach leku dochodzi głównie do interkalacji lub wytworzenia wiązań kowalencyjnych. Natomiast przy wysokich stężeniach indukowane jest wytwarzanie wolnych rodników warunkujących apoptozę komórek. Ważną rolę w stabilizacji kompleksów interkalacyjnych antybiotyków antracyklinowych z DNA odgrywają oddziaływania warstwowe między chromoforami antracyklin a zasadami azotowymi. Badania krystalograficzne wykazały, że dwie najbardziej popularne antracykliny: doksorubicyna (Dox) i daunorubicyna (DRB) tworzą kompleksy interkalacyjne z DNA w miejscach 5’-GC-3’ i 5’-CG-3’ [234].

Doksorubicyna (Dox) została wyizolowana po raz pierwszy w 1970 roku z bakterii Streptomyces peucetius var. Caesiu. Należy do najbardziej skutecznych cytostatyków stosowanych w terapiach przeciwnowotworowych układu krwionośnego, tarczycy, wątroby, jajnika, płuc, jądra, pęcherza moczowego oraz guzów litych. Składa się z tertacyklicznego pierścienia (A, B, C, D), gdzie pierścień D połączony jest wiązaniem glikozydowym z aminocukrem daunozaminą. Strukturę doksorubicyny przedstawia rysunek 15 [235].

65

Rys. 15. Wzór strukturalny i budowa cząsteczki doksorubicyny.

Mechanizm działania doksorubicyny i pozostałych antracyklin jest podobny.

Po interkalacji cząsteczki pomiędzy pary zasad DNA następuje zahamowanie aktywności enzymów niezbędnych do syntezy kwasów nukleinowych, a zatem zahamowanie replikacji i transkrypcji. W konsekwencji dochodzi do zahamowania namnażania komórek i zatrzymania cyklu komórkowego w fazie G2/M. Drugi możliwy mechanizm polega na wytworzeniu wolnych rodników dzięki obecności w cząsteczce ugrupowania chinonowego i hydrochinonowego. W związku z tym doksorubicyna może ulegać procesowi jednoelektronowej redukcji chinonu do hydrochinonu [236].

Niezależnie od wielu sukcesów terapeutycznych, stosowanie doksorubicyny wywołuje szereg skutków ubocznych u pacjenta. Są to m.in.: wypadanie włosów i zaburzenia jelitowo-żołądkowe. Najgroźniejsza jest jednak wysoka kardiotoksyczność [237]. W związku z powyższym, pojawiło się wyzwanie dla naukowców: trzeba skonstruować odpowiednie nośniki dla leku, które zmniejszą toksyczność ustrojową leku przy jednoczesnym zachowaniu efektu terapeutycznego [238].