usuwa się tkankę nowotworową, a jako uzupeł- nienie stosuje się chemioterapię systemową i/lub radioterapię, w indywidualnie dobranej kolejno- ści. Chemioterapia ma na celu zniszczenie komó- rek nowotworowych za pomocą leków cytosta- tycznych, których działanie polega na uszkadzaniu DNA na drodze różnych mechanizmów [1]. W ta- beli 1 przedstawiono najczęściej stosowane grupy cytostatyków.
Mechanizmy oporności wielolekowej
Oporność wielolekowa (multidrug resistance, MDR) jest definiowana jako uwarunkowana wspól- nym mechanizmem jednoczesna oporność na kil- ka lub kilkanaście leków, odmiennych pod wzglę- dem chemicznej budowy i mechanizmów działania.
Termin wielolekooporność powstał w odniesieniu do patogennych mikroorganizmów niereagujących na antybiotyki, ale obecnie jest kojarzony głównie z nowotworami. Ciągły wzrost zachorowalności na choroby nowotworowe przyczynił się do rozwo- ju i ewolucyjnego utrwalenia oporności wieloleko- wej w komórkach nowotworowych, co jest jedną z głównych przyczyn niepowodzeń chemioterapii.
Dane epidemiologiczne wskazują, że ponad 40%
nowotworów rozwinęło wielolekooporność na cy- tostatyki [2].
Wszystkie substancje terapeutyczne w żywym organizmie podlegają pięciu podstawowym pro- cesom farmakokinetycznym: uwalnianiu z posta- ci leku, wchłonięciu do krwiobiegu, dystrybucji
Wstęp
Choroby nowotworowe stanowią poważny pro- blem zdrowotny, zarówno w Polsce, jak i na świe- cie. Są główną przyczyną zgonów przed 65 r.ż., co jest związane z brakiem skutecznych metod lecze- nia. Nowotwory charakteryzują się dużą hetero- gennością komórek guza, a także odmienną pro- mienio- i chemiowrażliwością. Wybór terapii onkologicznej powinien być dobrze zaplanowany i uwzględniać wynik badania histopatologicznego, stopień zaawansowania choroby i ocenę stanu ogól- nego, w tym przebieg innych chorób czy dostępność do planowanego leczenia. Najczęściej chirurgicznie
Białkowe transportery błonowe
jako przyczyna oporności wielolekowej w chorobach nowotworowych
Ewa Żurawska-Płaksej
1, Joanna Górka-Dynysiewicz
1, Adriana Pęcherz
1, Aleksandra Bielawska-Pohl
21 Katedra Biochemii Farmaceutycznej, Wydział Farmaceutyczny z Oddziałem Analityki Medycznej, Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu, Wrocław
2 Laboratorium Glikobiologii i Oddziaływań Międzykomórkowych, Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej Polskiej Akademii Nauk, Wrocław
Adres do korespondencji: Joanna Górka-Dynysiewicz, Katedra Biochemii Farmaceutycznej, Wydział Farmaceutyczny z Oddziałem Analityki Medycznej, Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu, ul. Borowska 211A, 50-556 Wrocław, e-mail: joanna.gorka-dynysiewicz@umed.wroc.pl
Membrane transport proteins as a cause of multidrug resistance in cancers · The increasing incidence of cancers is a serious health problem in the world. A high mortality of oncological patients results, among others, from the lack of fully effective therapeutic methods. In addition, multidrug resistance (MDR) of tumor cells to chemotherapeutic agents has been observed in recent years, which causes the failure of chemotherapy. The most important role in the development of drug resistance in cancer seems to be played by protein membrane carriers from the ABC family, such as: P-glycoprotein, MRP1 protein and BCRP protein. The work characterizes these proteins and describes the mechanisms of removal of drugs from cells in the aspect of the development of drug resistance.
Keywords: multidrug resistance, ATP-binding casette transporters, cancer.
© Farm Pol, 2017, 73 (12): 722–726
B I O C H E M I A FA R M A C E U T Y C Z N A
do odpowiednich narządów, metabolizmowi oraz wydalaniu z ustroju, co jest określane akronimem LADME (Liberation, Administration, Distribu- tion, Metabolism, Excretion). Pojawienie się MDR w istotny sposób wpływa na każdy z wymienionych etapów, prowadząc do mniejszego stężenia substan- cji aktywnej w miejscu docelowym niż wynikało- by z wartości parametrów farmakokinetycznych [3]. Zjawisko to może być cechą pierwotną o pod- łożu genetycznym, co dotyczy zwłaszcza komó- rek nowotworowych wywodzących się z narządów wydzielniczych (np. wątroby, nerek, jelita grube- go), które wykształciły wiele mechanizmów opor- ności na chemioterapeutyki, lub wtórną, wytwo- rzoną w reakcji na przyjmowany lek, w tym jego nieprawidłowym dawkowaniem [4]. W przypad- ku wrodzonej oporności wielolekowej zastosowa- nie określonego cytostatyku jest z góry skazane na niepowodzenie, natomiast w przypadku oporności wtórnej komórki nowotworowe przestają być wraż- liwe na dotychczas skuteczną terapię. Wystąpienie MDR jest zależne od co najmniej kilku molekular- nych mechanizmów metabolicznych, prowadzą- cych do szybkiej utraty aktywności chemioterapeu- tyku. Do najważniejszych z nich należą:
- ograniczenie lub zahamowanie transportu leków do wnętrza komórki,
- zwiększenie efektywności usuwania leków z ko- mórki,
- aktywacja systemów detoksykacyjnych, - nasilenie metabolizmu leków,
- modyfikacja białek wiążących leki, - aktywacja procesów naprawy DNA.
Komórki nowotworowe charakteryzują się du- żym zróżnicowaniem na poziomie molekularnym, co wynika nie tylko z heterogenności tkankowej miejsc występowania ognisk nowotworowych, ale również z różnych mechanizmów regulacji ekspre- sji genów, w tym aktywacji onkogenów i zahamo- wania genów supresorowych [5].
Charakterystyka wybranych białek rodziny ABC
Najważniejszą rolę w rozwoju wielolekoopor- ności nowotworów odgrywają białkowe transpor- tery błonowe należące do rodziny ABC (ATP-bin- ding cassette family) [6, 7]. Białka te są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie, występują za- równo wśród organizmów prokariotycznych, jak Tabela 1. Najczęściej stosowane grupy cytostatyków [2].
ALKILUJĄCE
PRZYKŁADY LEKÓW POCHODNE:
iperytu azotowego cyklofosfamid, ifosfamid, leukeran, alkeran, busulfan, nitrogranulogen, chlorambucil, chlormetyna, melfalan
nitrozomocznika lomustyna, karmustyna,
platyny cisplatyna, karboplatyna, oksaliplatyna
imidazolowe prokarbazyna, dakarbazyna, temozolamid
ALKALOIDY BARWINKA winkrystyna, winblastyna, winorelbina, winflunina ze związkami antymonu POCHODNE:
TAKSOIDÓW paklitaksel, docetaksel
PODOFILATOKSYNY etopozyd, tenipozyd
KAMPTOTECYNY irynotekan, topotekan
ANTYMETABOLITY
purynowe merkaptopuryna, tioguanidyna, fludarabina
pirymidynowe 5-fluorouracyl, eniluracyl, cytarabina, tegafur, kapecytabina, gemcytabina
adenozynowe kladrybina, pentostatyna
kwasu foliowego metotreksat, trimetreksat, ralitreksed
ANTYBIOTYKI
antracykliny daunomycyna, doksorubicyna, 4-epidoksorubicyna, idarubicyna, mitoksantron
polipeptydy bleomycyna
inne mitomycyna C, aktynomycyna D daktynomycyna
ENZYMY L-asparaginaza
POCHODNE MOCZNIKA hydroksymocznik
INDUKTORY APOPTOZY związki arsenu
NOWE LEKI
przeciwciała monoklonalne trastuzumab, rytuksymab, gemtuzumab
inhibitory kinazy tyrozynowej imatynib, gefitynib
inhibitory angiogenezy talidomid, marimastat
radiouczulacz komórkowy tirazapamina
i eukariotycznych. U Eucaryota spełniają bardzo ważną rolę w usuwaniu toksycznych produktów przemiany materii oraz ksenobiotyków. Działają one w większości na zasadzie transportu jednokie- runkowego, umożliwiając przemieszczanie substan- cji z wnętrza komórki na zewnątrz (tzw. efluks) lub do organelli komórkowych (mitochondria, perok- sysomy) [8].
W organizmie ludzkim występuje 49 transporte- rów z rodziny białek ABC, które podzielone zosta- ły ze względu na budowę i rodzaj transportowanych substancji na 7 podgrup (tabela 2) [4, 9].
Zbudowane są z regionu transbłonowego MSD (membranę spanning domain), który umożli- wia przenikanie substancji przez błonę komórko- wą, oraz domeny NBD (nucleotide binding doma- in), która wiąże ATP, będące źródłem energii dla transportu aktywnego [8]. Ze względu na liczbę domen MSD-NBD wyróżnia się transportery peł- ne, półtransportery, transportery rozbudowane [7].
Białka te występują w komórkach narządów o du- żym znaczeniu dla procesów farmakokinetycznych:
kach śródbłonka, które tworzą bariery tkankowe, m.in. w obrębie mózgu, nerek, wątroby i innych narządów przewodu pokarmowego [10]. Niepra- widłową budowę i/lub dysfunkcję białek ABC moż- na zaobserwować w wielu chorobach, m.in. mu- kowiscydozie, anemii czy zaburzeniach transportu cholesterolu. Z kolei ich zwiększona ekspresja jest odpowiedzialna za występowanie zjawiska niewraż- liwości komórek nowotworowych na farmakotera- pię [11, 12].
Białko MDR1
Białko MDR1 (inaczej ABCB1 lub P-glikopro- teina, P-gp) jest pierwszym odkrytym białkiem z rodziny transporterów ABC, a zidentyfikowano je w komórkach nowotworowych jajnika chomi- ka chińskiego w 1976 r. [12, 13]. P-gp u ludzi jest wytwarzana jako nieglikozylowany prekursor, któ- ry zawiera 2, 3 lub 4 miejsca glikozylacji. Przyłącze- nie łańcucha węglowodanowego warunkuje prawi- dłową translokację tego białka w błonie komórkowej [14]. Spektrum substratowe P-gp obejmuje głównie substancje hydrofobowe, elektrycznie obojętne lub kationowe formy związków organicznych o cha- rakterze amfifilowym, które są zdolne do wniknię- cia do wnętrza komórki na zasadzie dyfuzji biernej [4]. Transportowi z udziałem P-glikoproteiny ulega wiele ksenobiotyków, w tym leki przeciwnowotwo- rowe, takie jak: antracykliny, taksoidy, inhibitory topoizomerazy I (irynotekan, topotekan). W zdro- wych tkankach wysoką ekspresję P-gp stwierdza się
Rycina 1. Sugerowane mechanizmy usuwania leków przez transportery błonowe.
A) hydrofilowy por transbłonowy, B) flopaza, C) hydrofobowy odkurzacz molekularny [17]
PODRODZINA NAZWA PODRODZINY LICZBA BIAŁEK
ABCA ABC1 12
ABCB MDR 11
ABCC MRP 13
ABCD AALD 4
ABCE OABP 1
ABCF GCN20 3
ABCG WHITE 5
B I O C H E M I A FA R M A C E U T Y C Z N A
Rycina 1. Sugerowane mechanizmy usuwania leków przez transportery błonowe.
A) hydrofilowy por transbłonowy, B) flopaza, C) hydrofobowy odkurzacz molekularny [17]
w komórkach narządów aktywnych wydzielniczo (trzustka, nerka, wątroba), a ponadto w jelitach oraz komórkach śródbłonka pokrywającego naczy- nia włosowate w mózgu. Nowotwory tych narzą- dów wykazują oporność pierwotną, która ujawnia się podczas pierwszej ekspozycji na lek. Odpowiedź wtórna podczas chemioterapii pojawia się u cho- rych z białaczkami, chłoniakami, a także z nowo- tworami jajników, piersi czy pęcherzyka żółciowe- go [14]. Sposób usuwania związków chemicznych z komórek przez białko P-gp nie jest do końca po- znany, ale sugeruje się trzy mechanizmy (rycina 1).
Pierwszy polega na „wyrzucaniu” substratów po- przez por fazy wodnej, drugi obejmuje transport substratu z wnętrza komórki lub wewnętrznej war- stwy błony komórkowej przez kanał transbłonowy do zewnętrznej warstwy błony komórkowej (mo- del flopazy), zaś trzeci zakłada usuwanie substratu bezpośrednio z błony komórkowej (model „odku- rzacza” molekularnego) [15–17].
Białko MRP1
MRP1 (inaczej ABCC1) jest przedstawicielem podrodziny ABCC [18]. Białko to odkryto podczas badań linii komórkowej ludzkiego raka drobnoko- mórkowego płuc H69/AR w obecności doksorubi- cyny [19]. MRP1 jest transporterem wielolekowym, wykazującym duże podobieństwo funkcji do P-gp, jednak w przeciwieństwie do niej jest skutecznym transporterem dla organicznych anionów oraz ko- niugatów powstałych w II fazie detoksykacji, czyli leków sprzężonych z glutationem bądź siarczanem [7, 20]. W wyniku aktywności tego transportera następuje obniżenie stężenia terapeutycznego wie- lu leków o różnej strukturze i odmiennym mecha- nizmie działania: antracyklin, alkaloidów barwinka, taksoidów, pochodnych kamptotecyny, metotrek- satu i związków metali ciężkich, takich jak arsen czy antymon [4]. Wysoki poziom białek MRP1 spo- tykany jest w płucach, jądrach, nerkach czy mię- śniach szkieletowych, natomiast wątroba wykazuje niską ekspresję tego białka [21]. Nadmierną syntezę MRP1 zauważono u znacznej liczby pacjentów on- kologicznych. Przypuszcza się, że transporter ten bierze udział w patogenezie hormonoopornej posta- ci raka stercza. Wysokie stężenie MRP1 jest charak- terystyczne dla niedrobnokomórkowego raka płuc, ostrej białaczki szpikowej, raka pęcherza, neuro- blastomy, raka okrężnicy czy mastocytomy [4, 21].
Białko BCRP
Białko BCRP (inaczej ABCG2) zostało zidenty- fikowane w linii komórkowej wielolekoopornego raka piersi MCF-7/AdrVp [22, 23]. Od pozostałych białek rodziny ABC różni się budową – zawiera tylko
jedną domenę wiążącą ATP, co może sugerować inny mechanizm transportu ksenobiotyków w porówna- niu z pozostałymi członkami tej rodziny [24, 25].
Wykazuje rozległą specyficzność substratową, po- nieważ transportuje nie tylko związki przeciwno- wotworowe (antracykliny, metotreksat, pochod- ne kamptotecyny, inhibitory kinazy tyrozynowej), ale również leki niechemioterapeutyczne (np. pra- zosyna, glibenklamid, dipirydamol, statyny, ni- trofurantoina) [24]. Fizjologiczną rolą BCRP jest ochrona tkanek przed endogennymi toksynami lub ksenobiotykami i regulacja homeostazy komórko- wej ważnych biologicznie, naturalnych związków, takich jak: hem, porfiryny, ryboflawina czy estro- geny [26]. Białko ABCG2 występuje w zdrowych, prawidłowych komórkach człowieka. Jego wysoką ekspresję stwierdzono w komórkach wątroby i ne- rek, co wiąże się z funkcją eliminacji toksyn, oraz w komórkach śródbłonka mózgu, nabłonku jelit, jąder oraz łożysku, stanowiących elementy barier tkankowych, co jest związane z procesami absorp- cji i transportu. Ponadto obecność białka wykaza- no w komórkach serca, płuc oraz grasicy, jednak na znacznie niższym poziomie niż w wyżej wymie- nionych tkankach [8, 10]. Podwyższone stężenie ABCG2 zaobserwowano w komórkach ostrej bia- łaczki limfo- i mieloblastycznej, szpiczaka mno- giego, raka stercza, piersi, płuc, nerek i endome- trium [22, 27].
Podsumowanie
Białka oporności wielolekowej stanowią jedną z przyczyn nieskutecznej chemioterapii. Szansą na zwiększenie odpowiedzi komórek nowotworowych na leczenie onkologiczne jest stosowanie prawidło- wego schematu dawkowania, złożonego z kilku le- ków o różnych mechanizmach działania, punktach uchwytu czy sposobie transportu do komórki. Ta- kie postępowanie może poprawić wskaźnik przeży- cia pacjentów z nowotworami.
Otrzymano: 2017.12.08 · Zaakceptowano: 2017.12.22
Pismiennictwo
1. Strąg-Lemanowicz A., Leppert W.: Rola onkologicznego leczenia systemowego u pacjentów z zaawansowaną chorobą nowotworową.
Med. Paliat. 2014, 8(1): 11–12.
2. Chabner B.A., Amrein P.C., Druker B.J., Michaelson M.D., Mitsia- des Constantine S., Goss P.E., Ryan D.P., Ramachandra S., Richard- son P.G., Supko J.G., Wilson W.H.: Antineoplastic agents. In: Brun- ton LL (ed). The pharmacological basis of therapeutics 2016, 51:
1316–1318.
3. Gottesman M.M., Fojo T., Bates S.E.: Multidrug resistance in cancer:
role of ATP-dependent transporters. Nat Rev Cancer 2002, 2: 48–58.
4. Bamburowicz-Klimkowska M., Bogucka U., Szutowski M. M.: Funk- cje transporterów typu ABC. Biuletyn Wydziału Farmaceutycznego Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego. 2011, 3: 34–40.
5. Gillet J.P., Gottesman M.M.: Mechanisms of Multidrug Resistance in Cancer. In: Zhou J. (eds) Multi-Drug Resistance in Cancer. Methods
6. Popęda M., Płuciennik E., Bednarek AK.: Białka w oporności wielo- lekowej nowotworów. Postepy Hig Med Dosw. Maj 2014, 68: 614–
630.
7. Singh A., Wu H., Zhang P., Happel C., Ma J.,Biswal S.: Expression of ABCG2 (BCRP) is regulated by Nrf2 in cancer cells that confers side population and chemoresistance phenotype. Mol. Cancer Ther. 2010, 9: 2365–2376.
8. Doyle L.A., Ross D.D.: Multidrug resistance mediated by the bre- ast cancer resistance protein BCRP (ABCG2). Oncogene. Październik 2003, 22(47): 7340–7358.
9. Stavrovskaya A.A., Stromskaya T.P.: Transport proteins of the ABC fa- mily and multidrug resistance of tumor cells. Biochemistry (Mosc.).
2008, 73: 592–604.
10. Allen J.D., Loevezijn A., Lakhai JM., Valk M., Tellingen O., Reid G., Schellens JHM., Koomen G.J., Schinkel A.H.: Potent and specific in- hibition of the breast cancer resistance protein multidrug transpor- ter in vitro and in mouse intestine by novel analogue of fumitremor- gin C. Mol Cancer Ther. 2002, 1(6): 417–425.
11. Turner J.G., Gump J.L., Zhang C., Cook J.M., Marchion D., Hazlehurst L., Munster P., Schell MJ., Dalton WS., Sullivan DM.: ABCG2 expres- sion, function, and promoter methylation in human multiple myelo- ma. Blood 2006, 108(12): 3881–3889.
12. Juliano R.L., Ling V.: A Surface glycoprotein modulating drug perme- ability in Chinese hamster overy cel mutants. Biochim Biophys Acta.
1976, 455(1): 152–162.
13. Germann U.A.: P-glycoprotein – a mediator of multidrug resistance in tumour cells. Eur J Cancer 1996, 32 A(6): 927–944.
14. Stefkova J., Poledne R., Hubacek J.A.: ATP-binding cassette (ABC) transporters in human metabolism and diseases. Physiol Res. 2004, 53: 235–243.
15. Esser L., Zhou F., Pluchino K.M., Shiloach J., Ma J., Tang W.K., Gu- tierrez C., Zhang A., Shukla S., Madigan JP., Zhou T., Kwong P.D., Ambudkar S.V., Gottesman M.M., Xia D.: Structures of the Multi- drug Transporter P-glycoprotein Reveal Asymmetric ATP Binding
16. Chin J.E., Soffir R., Noonan K.E., Choi K., Roninson I.B.: Structure and expression of the human MDR (P-glycoprotein) gene family. Mol Cell Biol. 1989, 9(9); 3808–3820.
17. Sharom F.J.: Complex interplay between the P-glycoprotein multi- drug efflux pump and the membrane: its role in modulating protein function. Front. Oncol. 2014. doi.org/10.3389/fonc.2014.00041.
18. Lehne G.: P-glycoprotein as a drug target in the treatment of multi- drug resistant cancer. Curr Drug Targets 2000, 1(1): 85–99.
19. Duś D., Podolak-Dawidziak M.: Multidrug resistance protein in leu- kaemias. Adv Clin Exp Med. 2005, 14(3): 407–416.
20. Syed S.B., Arya H., Fu I.H., Yeh T.K., Periyasamy L., Hsieh H.P., Co- umar M.S.: Targeting P-glycoprotein: Investigation of piperine ana- logs for overcoming drug resistance in cancer. Sci Rep. 2017, 7(1):
1–18.
21. Chen Z.S., Tiwari A.K.: Multidrug resistance proteins (MRPs/ABCCs) in cancer chemotherapy and genetic diseases. FEBS J. 2011, 278(18):
3226–3245.
22. Lautier D., Canitrot Y., Deeley R.G. Cole S.P.: Multigrug Resistance Mediated by the Multidrug resistance protein (MRP) gene. Biochem Pharmacol. 1996, 52(7): 967–977.
23. Borst P., Evers R., Kool M., Wijnholds J.: A family of drug transpor- ters: the multidrug resistance-associated proteins. J Natl Cancer Inst.
Sierpień 2000, 92(16): 1295–1302.
24. Loe D.W., Deeley R.G., Cole S.P.: Biology of the multidrug resistance- -associated protein, MRP. Eur J Cancer 1996, 32A(6): 945–957.
25. Cao D., Qin S., Mu Y., Zhong M.: The role of MRP1 in the multidrug resistance of colorectal cancer. Oncol Lett. 2017, 13(4): 2471–2476.
26. Ni Z., Bikadi Z., Rosenberg MF., Mao Q.: Structure and function of the human breast cancer resistance protein (BCRP/ABCG2). Curr Drug Metab. 2010, 11(7): 603–617.
27. Maliepaard M., Scheffer G.L., Faneyte I.F., van Gastelen M.A., Pij- nenborg A.C., Schinkel A.H., van De Vijver M.J., Scheper R.J., Schel- lens J.H.: Subcellular localization and distribution of the breast can- cer resistance protein transporter in normal human tissues. Cancer Res. 2001, 61(8): 3458–3464.
