Découverte et développement d'inhibiteurs de la tubuline - Discovery and development of tubulin inhibitors

Les inhibiteurs de la tubuline sont des médicaments de chimiothérapie qui interfèrent directement avec le système de la tubuline , contrairement aux médicaments de chimiothérapie agissant sur l' ADN . Les microtubules jouent un rôle important dans les cellules eucaryotes . L'alpha et la bêta-tubuline, les principaux composants des microtubules, ont suscité un intérêt considérable en raison de leur fonction et de leurs propriétés biophysiques et ont fait l'objet d'intenses études. L'ajout de ligands de tubuline peut affecter la stabilité et la fonction des microtubules, y compris la mitose , le mouvement cellulaire et le transport des organites intracellulaires . Les molécules de liaison à la tubuline ont suscité un intérêt significatif après l'introduction des taxanes en oncologie clinique et l'utilisation générale des vinca-alcaloïdes . Ces composés inhibent la mitose cellulaire en se liant à la protéine tubuline dans le fuseau mitotique et en empêchant la polymérisation ou la dépolymérisation dans les microtubules. Ce mode d'action est également partagé avec un autre agent naturel appelé colchicine .

Histoire

Le premier composé connu qui se lie à la tubuline était la colchicine, elle a été isolée du crocus d' automne , Colchicum autumnale , mais elle n'a pas été utilisée pour le traitement du cancer. Les premiers médicaments anticancéreux approuvés pour une utilisation clinique ont été les alcaloïdes de Vinca, la vinblastine et la vincristine dans les années 1960. Ils ont été isolés à partir d'extraits de feuilles de la plante Catharanthus roseus ( Vinca rosea ) à l'Université de Western Ontario en 1958. Le premier médicament appartient aux taxanes et au paclitaxel , découverts dans des extraits de l'écorce de l'if, Taxus brevifolia , en 1967 par Monroe Wall et Mansukh Wani mais, son activité d'inhibition de la tubuline n'était connue qu'en 1979. Les ifs sont une mauvaise source d'agents actifs qui ont limité le développement des taxanes pendant plus de 20 ans jusqu'à découvrir la voie de la synthèse. En décembre 1992, l'utilisation du paclitaxel a été approuvée en chimiothérapie.

Tubuline et système de microtubules

Fonction

Les microtubules sont les composants clés du cytosquelette des cellules eucaryotes et jouent un rôle important dans diverses fonctions cellulaires telles que la migration et le transport intracellulaires, le maintien de la forme cellulaire, la polarité, la signalisation cellulaire et la mitose. Ils jouent un rôle essentiel dans la division cellulaire en s'impliquant dans le mouvement et la fixation des chromosomes au cours des différentes étapes de la mitose. Par conséquent, la dynamique des microtubules est une cible importante pour le développement de médicaments anticancéreux .

Structure

Les microtubules sont composés de deux sous-unités protéiques globulaires , l'α et la β-tubuline. Ces deux sous-unités se combinent pour former un hétérodimère α, β- qui s'assemble ensuite dans une structure en forme de tube filamenteux . Les hétéro-dimères de tubuline s'organisent en tête-à-tête, la sous-unité α d'un dimère venant en contact avec la sous-unité β de l'autre. Cette disposition entraîne la formation de longues fibres protéiques appelées protofilaments. Ces protofilaments forment le squelette du microtubule cylindrique creux qui mesure environ 25 nanomètres de diamètre et varie de 200 nanomètres à 25 micromètres de longueur. Environ 12 à 13 protofilaments se disposent en parallèle pour former une feuille de protéines en forme de C, qui s'enroule ensuite pour donner une structure en forme de tuyau appelée microtubule. L'agencement tête-bêche des hétéro-dimères donne la polarité au microtubule résultant, qui a une sous-unité α à une extrémité et une sous-unité β à l'autre extrémité. L'extrémité α-tubuline a des charges négatives (-) tandis que l'extrémité β-tubuline a des charges positives (+). Le microtubule se développe à partir de sites d'assemblage discrets dans les cellules appelées centres d'organisation des microtubules (MTOC), qui sont un réseau de protéines associées aux microtubules (MAP).

Deux molécules de guanosine triphosphate (GTP) riches en énergie sont également des composants importants de la structure des microtubules. Une molécule de GTP est étroitement liée à l'α-tubuline et n'est pas échangeable tandis que l'autre molécule de GTP est liée à la β-tubuline et peut être facilement échangée avec la guanosine diphosphate (GDP). La stabilité du microtubule dépendra du fait que l'extrémité β est occupée par GTP ou GDP. Un microtubule ayant une molécule de GTP à l'extrémité ß sera stable et continuera à croître tandis qu'un microtubule ayant une molécule de PIB à l'extrémité ß sera instable et se dépolymérisera rapidement.

Dynamique des microtubules

Les microtubules ne sont pas statiques mais ce sont des polymères hautement dynamiques et présentent deux types de comportements dynamiques: « instabilité dynamique » et « tapis roulant ». L'instabilité dynamique est un processus dans lequel l'extrémité du microtubule bascule entre les périodes de croissance et de raccourcissement. Les deux extrémités ne sont pas égales, l'extrémité annelée a-tubuline (-) est moins dynamique tandis que l'extrémité annelée ß-tubuline plus dynamique (+) croît et se raccourcit plus rapidement. Le microtubule subit de longues périodes d'allongement lent, de brèves périodes de raccourcissement rapide et également une pause dans laquelle il n'y a ni croissance ni raccourcissement. L'instabilité dynamique est caractérisée par quatre variables: le taux de croissance des microtubules; le taux de raccourcissement; la fréquence de transition de la croissance ou de l'état de pause au raccourcissement (appelée « catastrophe ») et la fréquence de transition du raccourcissement à la croissance ou à la pause (appelée « sauvetage »). L'autre comportement dynamique appelé tapis roulant est la croissance nette du microtubule à une extrémité et le raccourcissement net à l'autre extrémité. Il implique le flux intrinsèque des sous-unités de tubuline de l'extrémité plus à l'extrémité moins. Les deux comportements dynamiques sont importants et un microtubule particulier peut présenter principalement une instabilité dynamique, un tapis roulant ou un mélange des deux.

Mécanisme d'action

Les agents qui agissent comme des inhibiteurs de la tubuline, agissent également comme des inhibiteurs de la division cellulaire. Un microtubule existe dans un état dynamique continu de croissance et de raccourcissement par association et dissociation réversibles d' hétérodimères α / β-tubuline aux deux extrémités. Ce comportement dynamique et le contrôle qui en résulte sur la longueur du microtubule sont vitaux pour le bon fonctionnement du fuseau mitotique dans la mitose, c'est-à-dire la division cellulaire.

Le microtubule est impliqué dans différentes étapes du cycle cellulaire . Au cours de la première étape ou prophase , les microtubules nécessaires à la division cellulaire commencent à se former et à se développer vers les chromosomes nouvellement formés formant un faisceau de microtubules appelé fuseau mitotique . Pendant la prométaphase et la métaphase, ce fuseau se fixe aux chromosomes en un point particulier appelé le kinétochore et subit plusieurs périodes de croissance et de raccourcissement en accord avec les oscillations aller-retour des chromosomes. En anaphase également, les microtubules attachés aux chromosomes maintiennent un processus de raccourcissement et d'allongement soigneusement régulé. Ainsi, la présence d'un médicament capable de supprimer la dynamique des microtubules est suffisante pour bloquer le cycle cellulaire et entraîner la mort des cellules par apoptose .

Les inhibiteurs de la tubuline agissent ainsi en interférant avec la dynamique du microtubule, c'est-à-dire la croissance ( polymérisation ) et le raccourcissement (dépolymérisation). Une classe d'inhibiteurs opère en inhibant la polymérisation de la tubuline pour former des microtubules et sont appelés inhibiteurs de polymérisation comme les analogues de la colchicine et les alcaloïdes de la vinca . Ils diminuent la masse de polymère des microtubules dans les cellules à haute concentration et agissent comme des agents de déstabilisation des microtubules. L'autre classe d'inhibiteurs fonctionne en inhibant la dépolymérisation de la tubuline polymérisée et augmente la masse de polymère des microtubules dans les cellules. Ils agissent comme des agents de stabilisation des microtubules et sont appelés inhibiteurs de dépolymérisation comme les analogues du paclitaxel . Ces trois classes de médicaments semblent fonctionner selon des mécanismes légèrement différents .

Les analogues de la colchicine bloquent la division cellulaire en perturbant le microtubule. Il a été rapporté que la sous-unité β de la tubuline est impliquée dans la liaison de la colchicine. Il se lie à la tubuline soluble pour former un complexe colchicine-tubuline. Ce complexe avec les tubulines normales subit ensuite une polymérisation pour former le microtubule. Cependant, la présence de ce complexe TC empêche la poursuite de la polymérisation du microtubule. Ce complexe provoque un changement de conformation qui bloque les dimères de tubuline de toute addition supplémentaire et empêche ainsi la croissance du microtubule. Lorsque le complexe TC ralentit l'ajout de nouveaux dimères, le microtubule se désassemble en raison d'un déséquilibre structurel ou d'une instabilité pendant la métaphase de la mitose.

Les alcaloïdes Vinca se lient à la sous-unité β des dimères de tubuline dans une région distincte appelée domaine de liaison Vinca. Ils se lient rapidement à la tubuline, et cette liaison est réversible et indépendante de la température (entre 0 ° C et 37 ° C). Contrairement à la colchicine, les alcaloïdes vinca se lient directement au microtubule. Ils ne forment pas d'abord un complexe avec la tubuline soluble ni ne se copolymérisent pour former le microtubule, cependant ils sont capables de provoquer un changement conformationnel de la tubuline en relation avec l'auto-association de la tubuline. Les alcaloïdes Vinca se lient à la tubuline avec une forte affinité aux extrémités des microtubules mais avec une faible affinité aux sites de tubuline présents le long des côtés du cylindre de microtubule. La liaison de ces médicaments aux sites de haute affinité entraîne une forte suppression cinétique de l'échange de tubuline même à une faible concentration de médicament tandis que leur liaison aux sites de faible affinité dans une concentration de médicament relativement élevée dépolymérise les microtubules.

Contrairement à la colchicine et aux alcaloïdes vinca, le paclitaxel améliore la polymérisation des microtubules en favorisant à la fois les phases de nucléation et d'élongation de la réaction de polymérisation , et il réduit la concentration sous-unitaire critique de tubuline (c'est-à-dire la concentration de tubuline soluble à l'état d'équilibre). Les microtubules polymérisés en présence de paclitaxel sont extrêmement stables. Le mécanisme de liaison du paclitaxel imite celui du nucléotide GTP avec quelques différences importantes. Le GTP se lie à une extrémité du dimère de tubuline en gardant le contact avec le dimère suivant le long de chacun des protofilaments tandis que le paclitaxel se lie à un côté de la β-tubuline en maintenant le contact avec le protofilament suivant. Le GTP se lie aux dimères de tubuline non assemblés tandis que les sites de liaison du paclitaxel sont situés uniquement dans la tubuline assemblée. L' hydrolyse du GTP permet le démontage et la régulation du système de microtubules; cependant, l' activation de la tubuline par le paclitaxel entraîne une stabilisation permanente du microtubule. Ainsi, la suppression de la dynamique des microtubules a été décrite comme étant la principale cause de l'inhibition de la division cellulaire et de la mort des cellules tumorales dans les cellules traitées au paclitaxel.

Médicaments liant la tubuline

Les molécules de liaison à la tubuline ont suscité beaucoup d'intérêt parmi les agents cytotoxiques en raison de leur succès en oncologie clinique. Ils diffèrent des autres médicaments anticancéreux par leur mode d'action car ils ciblent le fuseau mitotique et non l'ADN. Les médicaments liant la tubuline ont été classés en fonction de leur mode d'action et de leur site de liaison comme:

Inhibiteurs de dépolymérisation de la tubuline

a) Les ligands du site du paclitaxel , comprennent le paclitaxel, l'épothilone, le docétaxel, le discodermolide, etc.

II. Inhibiteurs de polymérisation de la tubuline

a) Site de liaison de la colchicine, comprend la colchicine, la combrestatine, le 2-méthoxyestradiol, le méthoxy benzènesulfonamides (E7010) etc.

b) Site de liaison des alcaloïdes Vinca, comprend la vinblastine, la vincristine, la vinorelbine, la vinflunine, les dolastatines, les halichondrines, les hémiasterlins, la cryptophysine 52, etc.

• Site de liaison de différents médicaments sur la tubuline
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  Taxol lié à la tubuline.

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  La vinblastine est liée à la tubuline.

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  Colchicine liée à la tubuline.

Tableau: Inhibiteurs de la tubuline avec leurs sites de liaison, leurs utilisations thérapeutiques et leurs stades de développement clinique.

Classes d'inhibiteurs de la tubuline	Domaine de liaison	Médicaments ou analogues apparentés	Utilisations thérapeutiques	Stade de développement clinique
Inhibiteurs de polymérisation	Domaine Vinca	Vinblastine	Maladie de Hodgkin , cancer des cellules germinales testiculaires	en usage clinique; 22 essais d'association en cours
		Vincristine	Leucémie , lymphomes	En usage clinique; 108 essais d'association en cours
		Vinorelbine	Tumeurs solides, lymphomes, cancer du poumon	En usage clinique; 29 essais cliniques de phase I- III en cours (simples et combinés)
		Vinflunine	Vessie , cancer du poumon non à petites cellules , cancer du sein	Phase III
		Crytophycine 52	Tumeurs solides	Phase III terminée
		Halichondrins	-	La phase I
		Dolastatins	Agent potentiel de ciblage vasculaire	La phase I; phase II terminée
		Hémiasterlins	-	La phase I
	Domaine de la colchicine	Colchicine	Maladies non néoplasiques ( goutte , fièvre méditerranéenne familiale )	Approuvé en 2009 par la FDA dans le cadre de l'Initiative sur les médicaments non approuvés
		Combrétastatines	Agent potentiel de ciblage vasculaire	La phase I
		2-méthoxyestradiol	-	La phase I
		E7010	Tumeurs solides	Phase I, II
Inhibiteurs de dépolymérisation	Site des taxans	Paclitaxel (Taxol)	Tumeurs de l' ovaire , du sein et du poumon, sarcome de Kaposi ; essais avec de nombreuses autres tumeurs	En usage clinique; 207 essais de phase I-III aux États-Unis; TL00139 est en essais de phase I
		Docétaxel (Taxotère)	Tumeurs de la prostate , du cerveau et du poumon	8 essais aux États-Unis (phases I à III)
		Épothilone	Tumeurs résistantes au paclitaxel	Phases I à III
		Discodermolide	-	La phase I

Inhibiteurs de la tubuline
Domaine Vinca
	Vinblastine	Vincristine	Vinorelbine
	Vinflunine	Cryptophycine 52	Halichondrin B
	Dolastatine 10	Dolastatine 15	Hemiasterlin A
	Hemiasterlin B
Domaine de la colchicine
	Colchicine	Combrétastatine	E7010
	2-méthoxyestradiol
SITE TAXANE
	Docétaxel	Paclitaxel	Épothilone A
	Épothilone B	Discodermolide

• La vinblastine et la vincristine ont été isolées de la pervenche de Madagascar Catharanthus roseus . Madagascar utilisait traditionnellement la vinca rosea pour traiter le diabète. En fait, il est utilisé depuis des siècles à travers le monde pour traiter toutes sortes de maux, des piqûres de guêpe en Inde aux infections oculaires dans les Caraïbes. Dans les années 1950, des chercheurs ont commencé à analyser la plante et ont découvert qu'elle contenait plus de 70 alcaloïdes. Certains se sont avérés avoir un effet sur les niveaux inférieurs de sucre dans le sang et d'autres agissent comme hémostatiques . La chose la plus intéressante était que la vinblastine et la vincristine réduisaient le nombre de globules blancs dans le sang. Un nombre élevé de globules blancs dans le sang indique une leucémie, c'est pourquoi un nouveau médicament anticancéreux a été découvert. Ces deux alcaloïdes se lient à la tubuline pour empêcher la cellule de fabriquer les fuseaux dont elle a besoin pour se diviser. Ceci est différent de l'action du taxol qui interfère avec la division cellulaire en empêchant les fuseaux de se décomposer. La vinblastine est principalement utile pour traiter le lymphome de Hodgkin , le cancer du testicule avancé et le cancer du sein avancé. La vincristine est principalement utilisée pour traiter la leucémie aiguë et d'autres lymphomes.
• La vinorelbine a été développée sous la direction du pharmacien français Pierre Poiter, qui, en 1989, a obtenu une première licence pour le creusé sous la marque Navelbine. La vinorelbine est également connue sous le nom de tartrate de vinorelbine, le médicament est un analogue semi-synthétique d'un autre médicament anticancéreux, la vinblastine. La vinorelbine fait partie de la classe des produits pharmaceutiques connus sous le nom de vinca alcaloïdes, et bon nombre de ses caractéristiques imitent la chimie et les mécanismes biologiques des médicaments cytotoxiques vincristine et vinblastine. La vinorelbine a montré une activité prometteuse contre le cancer du sein et fait l'objet d'un essai clinique pour le traitement d'autres types de tumeurs.
• La vinflunine est un nouvel alcaloïde vinca fluoré actuellement en essais cliniques de phase II, qui dans les études précliniques a montré une activité antitumorale supérieure à la vinorelbine et à la vinblastine. La vinflunine bloque la mitose à la transition métaphase / anaphase, conduisant à l'apoptose. La vinflunine est un médicament de chimiothérapie utilisé pour traiter le cancer avancé de la vessie à cellules transitionnelles et des voies urothéliales. Il est également appelé Javlor. Il est homologué pour les personnes qui ont déjà subi une chimiothérapie au cisplatine ou au carboplatine.
• La cryptophycine 52 a été isolée à partir de l' algue bleu-vert Nostoc sp. GSV 224. Les cryptophycines sont une famille de depsipeptides apparentés présentant une activité cytotoxique très puissante. La cryptophycine 52 a été développée à l'origine comme fongicide, mais elle était trop toxique pour une utilisation clinique. Plus tard, la recherche s'est concentrée sur le traitement de la cryptophycine comme un poison microtubulaire, empêchant la formation du fuseau mitotique. La cryptophycine 52 a montré une activité antimitotique puissante élevée pour résister à la dynamique des microtubules du fuseau. De plus, l'intérêt pour ce médicament a été davantage suscité par la découverte que la cryptophycine présente une sensibilité réduite à la pompe de résistance multidrogue et ne montre aucune réduction d'activité dans un certain nombre de lignées cellulaires résistantes aux médicaments .
• Halichondrin B a d'abord été isolé de Halichondria okadai , puis des éponges non apparentées Axinella carteri et Phankella carteri . L'halichondrine B est un polyéther macrolide complexe qui est synthétisé et arrête la croissance cellulaire à des concentrations sous-nanomolaires. L'halichondrine B est un inhibiteur non compétitif de la liaison de la vincristine et de la vinblastine à la tubuline, ce qui suggère que les médicaments se lient au site de liaison de vinca ou à un site à proximité. L'isolement de l'halichondrine B provient de deux genres d'éponge non apparentés, a conduit à supposer que l'halichondrine B est en réalité un métabolite microbien, plutôt qu'un métabolite de l'éponge, car les éponges supportent un large éventail de microbes. Si tel est le cas, les technologies de fermentation pourraient fournir un approvisionnement utile en halichondrine B.
• Les dolastatines ont été isolées du lièvre de mer Dolabella auricularia , un petit mollusque de mer , et on pense qu'elles sont la source du poison utilisé pour assassiner le fils de l' empereur Claudius de Rome en 55 après JC Les Dolastatines 10 et 15 sont de nouveaux pentapeptides et présentent de puissantes propriétés antimitotiques. Ils sont cytotoxiques dans un certain nombre de lignées cellulaires à des concentrations sous-nanomolaires. Les peptides des dolastatines 10 et 15 inhibent de manière non compétitive la liaison de la vincristine à la tubuline. La dolastatine 10 est 9 fois plus puissante que la dolastatine 15 et les deux sont plus puissantes que la vinblastine. Les dolastatines améliorent et stabilisent également la liaison de la colchicine à la tubuline.
• Des hémiastérlines ont été isolées de l'éponge marine, Cymbastela sp . Les hémiastérlines sont une famille de peptides cytotoxiques puissants. L'hémiastérline A et l'hémiastérline B présentent une activité puissante contre la lignée cellulaire P388 et inhibent la division cellulaire en se liant au site vinca alcaloïde de la tubuline. Les hémiastérines A et B présentent des activités antiprolifératives plus fortes que les alcaloïdes vinca et le paclitaxel.
• La colchicine, un alcaloïde préparé à partir de cors séchés et de graines de safran des prés, Colchicum autumnale , est un anti-inflammatoire utilisé en continu depuis plus de 3000 ans. La colchicine est un médicament oral, connu pour être utilisé pour traiter la goutte aiguë et prévenir les crises aiguës de fièvre méditerranéenne familiale (FMF). Cependant, l'utilisation de la colchicine est limitée par sa forte toxicité dans d'autres thérapies. La colchicine est connue pour inhiber la division et la prolifération cellulaires. Une première étude a démontré que la colchicine perturbe le fuseau mitotique. La dissolution des microtubules s'est par la suite révélée responsable de l'effet de la colchicine sur le fuseau mitotique et la prolifération cellulaire.
• Combretastatins est isolé du saule sud-africain, Combretum caffrum . La combrétastatine est l'un des composés les plus simples à présenter des effets antimitotiques par interaction avec le site de liaison de la colchicine de la tubuline, et est également l'un des inhibiteurs les plus puissants de la liaison de la colchicine. La combrétastatine n'est pas reconnue par la pompe de résistance multiple aux médicaments (MDR), une pompe cellulaire qui éjecte rapidement les molécules étrangères de la cellule. La combrétastatine serait également capable d'inhiber l'angiogenèse, un processus essentiel à la croissance tumorale. Hormis ces facteurs, l'un des inconvénients de la combrétastatine est sa faible solubilité dans l'eau.
• Le E7010 est l'agent antimitotique sulfonamide le plus actif, dont il a été démontré qu'il inhibe la formation de microtubules en se liant au site des colchicines. Il est assez soluble dans l'eau sous forme de sel acide. Le méthoxybenzène-sulfonamide a montré de bons résultats contre une large gamme de cellules tumorales, y compris les tumeurs solides résistantes aux alcaloïdes vinca. Les résultats des études animales ont indiqué une activité contre les tissus cancéreux colorectaux, mammaires et pulmonaires.
• Le 2-méthoxyestradiol est un métabolite naturel de l'hormone de mammifère estradiol et se forme par oxydation dans le foie. Le 2-méthoxyestradiol est cytotoxique pour plusieurs lignées de cellules tumorales , se lie au site colchicine de la tubuline, induisant la formation de microtubules anormaux. Le 2-méthoxyestradiol présente une puissante activité apoptotique contre les cellules tumorales à croissance rapide. Il a également une activité antiangiogénique grâce à un effet apoptotique direct sur les cellules endothéliales.
• Docetaxel , est un analogue semi-synthétique du paclitaxel, avec un nom commercial Taxotere. Le docétaxel a les modifications de structure minimales au niveau de la chaîne latérale C13 et la substitution C10 a montré plus de solubilité dans l'eau et plus de puissance que le paclitaxel. Des essais cliniques ont montré que les patients qui développent une hypersensibilité au paclitaxel peuvent recevoir du docétaxel sans réponse allergique.
• Le paclitaxel a été isolé de l'écorce de l'if du Pacifique Taxus brevifolia Nutt. (Taxacées). Plus tard, il a également été isolé des noisetiers (feuilles, brindilles et noix) et des champignons vivant sur ces arbres, mais la concentration n'est que d'environ 10% de la concentration dans les ifs. Le paclitaxel est également connu sous le nom de Taxol et Onxol pour être un médicament anticancéreux. Le médicament est le traitement de première intention du cancer de l'ovaire, du sein, du poumon et du côlon et le traitement de deuxième ligne du sarcome de Kaposi lié au sida . (Le sarcome de Kaposi est un cancer de la peau et des muqueuses qui est couramment trouvé chez les patients atteints du syndrome d'immunodéficience acquise, SIDA). Il est si efficace que certains oncologues appellent la période antérieure à 1994 l'ère «pré-taxol» pour le traitement du cancer du sein.
• Les épothilones sont dérivées d'une bactérie du sol en fermentation, Sorangium cellulosum, et il s'est avéré trop toxique pour être utilisé comme antifongique. Les épothilones sont des agents de stabilisation des microtubules avec un mécanisme d'action similaire aux taxanes, y compris la suppression de la dynamique des microtubules, la stabilisation des microtubules, la promotion de la polymérisation de la tubuline et une masse de polymère accrue à des concentrations élevées. Ils induisent un arrêt mitotique dans la phase G2-M du cycle cellulaire, entraînant l'apoptose. L'épothilone A et l'épothilone B présentent à la fois des propriétés antifongiques et cytotoxiques. Ces épothilones sont des inhibiteurs compétitifs de la liaison du paclitaxel à la tubuline, présentant une activité à des concentrations similaires. Cette découverte conduit à supposer que les épothilones et le paclitaxel adoptent des conformations similaires in vivo. Cependant, les épothilones sont environ 30 fois plus solubles dans l'eau que le paclitaxel et plus disponibles, étant facilement obtenues par fermentation de la myxobactérie mère et pourraient être préparées par synthèse totale. Les épothilones se révèlent également ne pas être reconnues par des mécanismes multirésistants, par conséquent, elles ont une puissance beaucoup plus élevée que le paclitaxel dans les lignées cellulaires multirésistantes.
• Le discodermolide s'est révélé initialement avoir des activités immunosuppressives et antifongiques. Le discodermolide est un produit marin d'alcététraène lactone polyhydroxylé, isolé de l'éponge des eaux profondes des Bahamas, Discodermia dissoluta , a inhibé la mitose cellulaire et induit la formation d'un polymère de tubuline stable in vitro et considéré comme plus efficace que le paclitaxel avec une valeur EC50 de 3,0 μM contre 23 μM. Le médicament, un macrolide (lactone polyhydroxylée), fait partie d'une classe structurelle diversifiée de composés appelés polycétides avec un mécanisme d'action chimique notable. Il stabilise les microtubules des cellules cibles, en les arrêtant essentiellement à un stade spécifique du cycle cellulaire et en arrêtant la division cellulaire. C'est un candidat prometteur d'origine marine pour le traitement de certains cancers.

Relation structure-activité (SAR)

La colchicine est l'un des médicaments antimitotiques les plus anciens connus et au cours des dernières années, de nombreuses recherches ont été effectuées afin d'isoler ou de développer des composés ayant une structure similaire mais une activité élevée et moins de toxicité . Cela a abouti à la découverte d'un certain nombre d'analogues de la colchicine. La structure de la colchicine est composée de trois cycles, un cycle triméthoxybenzène (cycle A), un cycle méthoxy tropone (cycle C) et un cycle à sept membres (cycle B) avec un groupe acétamido situé à sa position C-7. Le groupe triméthoxy phényle de la colchicine aide non seulement à stabiliser le complexe tubuline-colchicine, mais est également important pour l'activité antitubuline en conjonction avec le cycle C.Le groupe 3-méthoxy a augmenté la capacité de liaison tandis que le groupe 1-méthoxy a aidé à atteindre le bon conformation de la molécule. La stabilité du cycle tropone et la position du groupe méthoxy et carbonyle sont cruciales pour la capacité de liaison du composé. Le groupe 10-méthoxy peut être remplacé par des groupes halogène, alkyle, alcoxy ou amino sans affecter l'affinité de liaison à la tubuline, tandis que les substituants volumineux réduisent l'activité. L'anneau B, lorsqu'il est expansé, a montré une activité réduite, mais on pense que l'anneau et sa chaîne latérale C-7 affectent la conformation des analogues de la colchicine plutôt que leur capacité de liaison à la tubuline. La substitution en C-5 a entraîné une perte d'activité tandis que la fixation de systèmes de cycle hétérocyclique annulé au cycle B a donné un composé très puissant .

Le paclitaxel a remporté un grand succès en tant que médicament anticancéreux, mais des efforts continus ont été déployés pour améliorer son efficacité et développer des analogues qui sont plus actifs et ont une plus grande biodisponibilité et spécificité . L'importance de la chaîne latérale de phénylisosérine substituée en C-13 pour la bioactivité du paclitaxel est connue depuis longtemps. Plusieurs remplacements à la substitution C-3 'ont été testés. Le remplacement du groupe phényle en C-3 'par des groupes alkyle ou alcyneyle a grandement amélioré l'activité, et avec le groupe CF3 à cette position en combinaison avec la modification du 10-Ac avec d'autres groupes acyle a augmenté l'activité plusieurs fois. Une autre modification de C-3 'avec des groupements cyclopropane et époxyde s'est également avérée puissante. La plupart des analogues sans anneau A se sont révélés beaucoup moins actifs que le paclitaxel lui-même. Les analogues avec une chaîne latérale amide en C-13 sont moins actifs que leur homologue ester. La désoxygénation en position 1 a également montré une activité réduite. La préparation de l'époxyde de 10-a-spiro et de son éther 7-MOM a donné des composés ayant une cytotoxicité et une activité d'assemblage de tubuline comparables à celles du paclitaxel. La substitution avec C-6-a-OH et C-6-ß-OH a donné des analogues qui étaient équipotents au paclitaxel dans le test d'assemblage de tubuline. Enfin, le cycle oxétane joue un rôle important lors de l'interaction avec la tubuline.

La vinblastine est un médicament très puissant qui a également des effets secondaires graves, en particulier sur le système neurologique. Par conséquent, de nouveaux analogues synthétiques ont été développés dans le but d'obtenir des médicaments plus efficaces et moins toxiques. Les configurations stéréochimiques en C-20 ', C-16' et C-14 'dans la partie velbanamine sont critiques et l'inversion conduit à une perte d'activité. Le groupe carboxyméthyle C-16 'est important pour l'activité puisque le dimère décarboxylé est inactif. La variation structurelle en C-15'-C-20 'dans l'anneau de velbanamine est bien tolérée. La modification du squelette supérieur de la vinblastine a donné de la vinorelbine qui présente une activité comparable à celle de la vinblastine. Un autre analogue préparé était le dérivé difluoro de la vinorelbine qui présentait une activité antitumorale améliorée in vivo. Il a été découvert que la fluoration en position C-19 'de la vinorelbine augmentait considérablement l' activité in vivo . La plupart des études SAR concernent la partie vindoline des alcaloïdes bis-indole car la modification en C-16 et C-17 offre de bonnes opportunités pour le développement de nouveaux analogues. Le remplacement du groupe ester par un groupe amide au C-16 a conduit au développement de la vindésine. De même remplacement du groupe acétyle en C-16 par L-trp-OC2H5, d-Ala (P) - (OC2H5) 2, L-Ala (P) - (OC2H5) 2 et I-Vla (P) - (OC2H5 ) 2 a donné naissance à de nouveaux analogues ayant une activité anti-tubuline. On a également découvert que le groupe indole méthyle de la vindoline était une position utile pour fonctionnaliser potentiellement et développer de nouveaux dérivés puissants de vinblastine. Une nouvelle série de C-16 -spiro-oxazolidine-1,3-diones semi-synthétiques préparés à partir de 17-déacétyl vinblastine a montré une bonne activité anti-tubuline et une cytotoxicité plus faible. Le vinglycinate, un promédicament glycinate dérivé du groupe C-17-OH de la vinblastine, a montré une activité antitumorale et une toxicité similaires à celles de la vinblastine.

Limites

Effets secondaires

• neuropathie périphérique induite par la chimiothérapie , engourdissement progressif, persistant, souvent irréversible, picotements, douleur intense et hypersensibilité au froid, commençant dans les mains et les pieds et touchant parfois les bras et les jambes.
• stomatite (ulcération des lèvres, de la langue, de la cavité buccale)
• nausées, vomissements, diarrhée, constipation, iléus paralytique, rétention urinaire
• suppression de la moelle osseuse
• réactions d'hypersensibilité - rougeurs, réactions cutanées localisées, éruption cutanée (avec ou sans) prurit, oppression thoracique, maux de dos, dyspnée, fièvre médicamenteuse ou frissons
• effets musculo-squelettiques - arthralgie et / ou myalgie
• faiblesse sévère
• hypotension
• alopécie
• neurotoxicité

Les facteurs humains

Les limitations de la thérapie anticancéreuse se produisent principalement pour deux raisons; à cause de l'organisme du patient ou à cause des altérations génétiques spécifiques des cellules tumorales. Chez le patient, la thérapie est limitée par une mauvaise absorption d'un médicament qui peut conduire à une faible concentration de l'agent actif dans le sang et à une administration en petite quantité à la tumeur. Un faible taux sérique d'un médicament peut également être causé par un métabolisme et une excrétion rapides associés à une affinité pour le cytochrome P450 intestinal ou hépatique . Une autre raison est l'instabilité et la dégradation des médicaments dans l'environnement gastro-intestinal. Un problème sérieux est également la variabilité entre les patients, ce qui entraîne une biodisponibilité différente après l'administration d'une dose égale d'un médicament et une tolérance différente à l'effet des agents de chimiothérapie. Le deuxième problème est particulièrement important dans le traitement des personnes âgées. Leur corps est plus faible et doit appliquer des doses plus faibles, souvent inférieures au niveau thérapeutique. Un autre problème avec les agents anticancéreux est leur solubilité aqueuse limitée qui réduit considérablement l'absorption d'un médicament. Des problèmes avec l'administration de traînées à la tumeur se produisent également lorsque l'agent actif a un poids moléculaire élevé qui limite la pénétration tissulaire ou que la tumeur a un grand volume empêchant la pénétration.

Résistance aux médicaments

La multirésistance est la limitation la plus importante du traitement anticancéreux. Il peut se développer dans de nombreux composés chimiquement distincts. Jusqu'à présent, plusieurs mécanismes sont connus pour développer la résistance. Le plus courant est la production de «pompes à efflux». Les pompes éliminent les médicaments des cellules tumorales, ce qui entraîne une faible concentration de médicament dans la cible, inférieure au niveau thérapeutique. L'efflux est causé par la glycoprotéine P appelée aussi le transporteur multidrogue. Cette protéine est un produit du gène de résistance multidrogue MDR1 et un membre de la famille des transporteurs dépendants de l' ATP ( cassette de liaison à l'ATP ). La glycoprotéine P est présente dans chaque organisme et sert à protéger le corps contre les xénobiotiques et est impliquée dans le déplacement des nutriments et d'autres composés biologiquement importants à l'intérieur d'une cellule ou entre les cellules. La P-glycoprotéine détecte les substrats lorsqu'ils pénètrent dans la membrane plasmique et les lie, ce qui provoque l'activation de l'un des domaines de liaison à l'ATP. L'étape suivante est l'hydrolyse de l'ATP, qui entraîne une modification de la forme de la P-gp et ouvre un canal à travers lequel le médicament est pompé hors de la cellule. L'hydrolyse d'une deuxième molécule d'ATP entraîne la fermeture du canal et le cycle se répète. La glycoprotéine P a une affinité pour les médicaments hydrophobes avec une charge positive ou électriquement neutre et est souvent surexprimée dans de nombreux cancers humains. Certaines tumeurs, par exemple le cancer du poumon, ne surexpriment pas ce transporteur mais sont également capables de développer la résistance. Il a été découvert qu'un autre transporteur MRP1 fonctionne également comme pompe d'efflux, mais dans ce cas, les substrats sont des composés naturels chargés négativement ou des médicaments modifiés par le glutathion, la conjugaison, la glycosylation, la sulfatation et la glucuronylation. Les médicaments peuvent entrer dans une cellule de plusieurs manières. Les principales voies sont: la diffusion à travers la membrane plasmique, à travers le récepteur ou le transporteur ou par le processus d'endocytose . Le cancer peut développer la résistance par des mutations de leurs cellules qui entraînent des altérations de la surface des cellules ou une altération de l'endocytose. La mutation peut éliminer ou modifier les transporteurs ou les récepteurs qui permettent aux médicaments d'entrer dans la cellule tumorale. Une autre cause de résistance aux médicaments est une mutation de la β tubuline qui provoque des altérations des sites de liaison et un médicament donné ne peut pas être lié à sa cible. Les tumeurs modifient également les isoformes d'expression de la tubuline pour celles-ci, qui ne sont pas des cibles pour les médicaments antimitotiques, par exemple surexprimer la βIII-tubuline. De plus, les cellules tumorales expriment d'autres types de protéines et modifient la dynamique des microtubules pour neutraliser l'effet des médicaments anticancéreux. Une résistance aux médicaments peut également se développer en raison de l'interruption du traitement.

Autres

• Efficacité clinique marginale - souvent les composés présentent une activité in vitro mais n'ont pas d'activité antitumorale en clinique.
• Une mauvaise hydrosolubilité des médicaments qui doivent être dissous dans de l'huile de ricin polyoxyéthylée ou du polysorbate, ce qui provoque des réactions d'hypersensibilité. Il a été suggéré que ces solvants peuvent également réduire la délivrance des médicaments aux cellules cibles.
• Biodisponibilité
• Limite de dose - des doses plus élevées entraînent une toxicité élevée et une utilisation à long terme entraîne une neurotoxicité et une toxicité hématopoïétique cumulatives.
• La neuropathie qui est un effet secondaire important peut se développer à tout moment du traitement et nécessiter une interruption du traitement. Une fois les symptômes résolus, le traitement peut être recommencé mais la pause permet à la tumeur de développer une résistance.
• Mauvaise pénétration à travers la barrière hémato-encéphalique .

Développement futur de médicaments

En raison des nombreux effets indésirables et des limites d'utilisation, de nouveaux médicaments avec de meilleures propriétés sont nécessaires. En particulier, les améliorations souhaitées de l'activité antitumorale, du profil de toxicité, de la formulation du médicament et de la pharmacologie. Actuellement, quelques approches ont été suggérées dans le développement de nouveaux agents thérapeutiques avec de meilleures propriétés

• Découverte des agents qui ne sont pas un substrat pour la pompe d'efflux ou des modifications de médicaments vers une affinité plus faible pour le transport des protéines. La prochaine approche consiste à découvrir les inhibiteurs de la glycoprotéine P avec une plus grande affinité pour le transporteur que pour les médicaments. Pour améliorer la biodisponibilité orale, il est suggéré de co-administrer la P-gp et les inhibiteurs du cytochrome avec des médicaments anticancéreux.
• Développement d'inhibiteurs qui ont leur site de liaison dans l'α-tubuline. Cette partie du dimère de tubuline reste inutilisée car tous les médicaments actuellement utilisés se lient à la β-tubuline. La recherche dans ce domaine peut ouvrir de nouvelles opportunités de traitement et fournir une nouvelle classe d'inhibiteurs.
• L'une des cibles des médicaments anticancéreux peut être la vascularisation tumorale. L'avantage dans ce cas est un accès relativement facile des agents thérapeutiques à la cible. Il est connu que certains composés peuvent inhiber la formation de nouveaux vaisseaux sanguins (inhiber le processus d' angiogenèse ) ou arrêter les vaisseaux existants. Les cellules tumorales meurent très rapidement après avoir coupé l'apport d'oxygène, ce qui suggère que ces agents sont particulièrement intéressants. De plus, il semble que les agents agissent uniquement avec le système vasculaire tumoral et n'interagissent pas avec les tissus normaux. Les mécanismes ne sont pas connus, mais il a été suggéré que la raison est des différences entre le jeune tissu de la tumeur et le tissu mature du système vasculaire normal. Les agents antivasculaires sont similaires à la colchicine et se lient au site de liaison de la colchicine sur la β-tubuline, de sorte que le développement de nouveaux agents agissant avec le site de liaison de la colchicine (qui n'est utilisé par aucun des médicaments actuellement approuvés) semble être une approche prometteuse.
• Thérapie avec combinaison de deux médicaments ou plus qui ont divers sites de liaison et / ou un mécanisme d'action différent mais ont des effets indésirables non chevauchants. Cela permettrait l'utilisation de médicaments à faible concentration, ce qui réduirait la force des effets secondaires associés à de fortes doses d'agents anticancéreux. Une meilleure efficacité pourrait également être le résultat de faibles concentrations d'entretien de médicaments pendant une longue période au lieu de changements drastiques dans la quantité de médicaments administrés.
• Les liposomes et les médicaments liés aux polymères comprennent des améliorations prometteuses du système de délivrance. Les liposomes permettent de délivrer des quantités considérables de traînée à la tumeur sans effet toxique dans les tissus normaux et libèrent lentement des médicaments, ce qui entraîne une prolongation de l'action pharmaceutique. Des propriétés similaires ont des médicaments liés au polymère. De plus, l'utilisation de polymères hydrosolubles permet aux agents anticancéreux hydrophiles de devenir solubles. La nature de la liaison polymère-médicament peut être conçue pour être stable dans les tissus normaux et se décomposer dans l'environnement tumoral, qui est plus acide. Cette approche permet de libérer l'agent actif exactement dans la cible.
• Découvrez de nouveaux composés actifs contre les cancers résistants aux médicaments avec un mécanisme différent de celui des médicaments déjà connus.
• Elucidation de tous les mécanismes de résistance et conception de médicaments qui l'évitent.

Voir également

Références