Chemická struktura paklitaxelu
Paklitaxel
L01CD01 . (paklitaxel poliglumex)
Paklitaxel je mitotický inhibitor používaný jako protinádorové léčivo v chemoterapii rakoviny. Byl objeven v programu Národního institutu pro výzkum rakoviny v Research Triangle Institute v roce 1967, kdy jej Monroe E. Wall a Mansukh C. Wani izolovali z kůry tichomořského tisu Taxus brevifolia a pojmenovali jej „taxol“. Když byl vyvinut společností Bristol-Myers Squibb (BMS), byl jeho obecný název změněn na „paklitaxel“ a sloučenina BMS se prodává pod ochrannou známkou „Taxol“. V tomto přípravku je paklitaxel rozpuštěn v přípravku Cremophor EL a ethanolu, který slouží jako podávací činidlo. Novější formulace, v níž je paklitaxel vázán na albumin, se prodává pod ochrannou známkou Abraxane.
Paklitaxel se nyní používá k léčbě pacientů s rakovinou plic, vaječníků, prsu, hlavy a krku a pokročilých forem Kaposiho sarkomu. Paklitaxel se také používá k prevenci restenózy.
Paklitaxel stabilizuje mikrotubuly, a proto brání normálnímu rozpadu mikrotubulů během buněčného dělení. Spolu s docetaxelem tvoří kategorii taxanů. Byl předmětem pozoruhodné totální syntézy Roberta A. Holtona.
Kromě toho, že paklitaxel nabízí podstatné zlepšení péče o pacienty, je poměrně kontroverzním lékem. Původně panovaly obavy z dopadu jeho původního, dnes již nepoužívaného získávání z tichomořského tisu na životní prostředí. Kromě toho bylo postoupení práv, a dokonce i samotného názvu, společnosti Bristol-Myers Squibb předmětem veřejné debaty a slyšení v Kongresu.
Nomenklatura paklitaxelu je založena na tetracyklickém 17uhlíkatém (heptadekanovém) skeletu. Je zde celkem 11 stereocenter. Aktivním stereoizomerem je (-)-paklitaxel (na obrázku).
(1S,2S,3R,4S,7R,9S,10S,12R,15S)-4,12-Diacetoxy-15-{[(2R,3S)-3- (benzoylamino)-2-hydroxy-3- phenylpropanoyl]oxy}-1,9- dihydroxy-10,14,17,17-tetramethyl -11-oxo-6-oxatetracyclo [11.3.1.0~3,10~.0~4,7~] heptadec-13-en-2-yl rel-benzoát
Program screeningu rostlin, izolace a preklinické zkoušky
Krystalová struktura paklitaxelu
V roce 1955 Národní ústav pro rakovinu (NCI) zřídil Národní centrum pro chemoterapii rakoviny (Cancer Chemotherapy National Service Center, CCNSC), které fungovalo jako veřejné screeningové centrum pro protinádorovou aktivitu sloučenin předložených externími institucemi a společnostmi.Přestože většina screeningovaných sloučenin byla syntetického původu, jeden z chemiků, Jonathan Hartwell, který zde byl zaměstnán od roku 1958, měl zkušenosti se sloučeninami získanými z přírodních produktů a zahájil screening rostlin. Po několika letech neformálních dohod pověřila NCI v červenci 1960 botaniky USDA, aby ročně odebírali vzorky přibližně z 1000 druhů rostlin. Dne 21. srpna 1962 jeden z těchto botaniků, Arthur S. Barclay, odebral kůru z jediného tichomořského tisu, Taxus brevifolia, v lese severně od města Packwood ve státě Washington v rámci čtyřměsíční cesty, během níž sbíral materiál z více než 200 různých druhů. Materiál byl poté zpracován řadou specializovaných subdodavatelů CCNSC a 22. května 1964 bylo zjištěno, že jeden ze vzorků Taxusu je cytotoxický v buněčném testu.
Proto koncem roku 1964 nebo začátkem roku 1965 začala laboratoř pro frakcionaci a izolaci vedená Monroem E. Wallem v Research Triangle Park v Severní Karolíně pracovat na čerstvých vzorcích taxusu, v září 1966 izolovala účinnou látku a své výsledky oznámila na zasedání Americké chemické společnosti v dubnu 1967 v Miami Beach. V červnu 1967 pojmenovali čistou sloučeninu „taxol“.
Wall a jeho kolega Wani zveřejnili své výsledky včetně chemické struktury v roce 1971.
NCI pokračovala v zadávání prací na sběru většího množství kůry Taxusu a na izolaci stále většího množství taxolu. Do roku 1969 bylo z téměř 1 200 kg kůry izolováno 28 kg surového extraktu, ačkoli se nakonec podařilo získat pouze 10 g čistého materiálu. Po několik let však NCI tuto sloučeninu nevyužívala. V roce 1975 se ukázalo, že je účinná v jiném systému in vitro ; o dva roky později nový vedoucí oddělení údaje přezkoumal a nakonec doporučil, aby byl taxol posunut do další fáze procesu objevování. To vyžadovalo stále větší množství purifikovaného taxolu, až 600 g, a v roce 1977 byla podána další žádost o 7 000 liber kůry.
V roce 1978 publikovali dva vědci z NCI zprávu, která ukázala, že taxol je mírně účinný u myší s leukémií.
V listopadu 1978 byla prokázána účinnost taxolu ve studiích xenotransplantátů.
Mezitím začal být taxol dobře známý v buněčné biologii i v onkologické komunitě, když počátkem roku 1979 Susan B. Horwitzová, molekulární farmakoložka z Albert Einstein College of Medicine, publikovala zprávu, která ukázala, že taxol má dosud neznámý mechanismus účinku zahrnující stabilizaci mikrotubulů. Tento zvýšený zájem výzkumných pracovníků spolu s problémy se složením kůry znamenal, že v roce 1980 NCI předpokládal, že bude třeba shromáždit 20 000 liber kůry. .
Toxikologické studie na zvířatech byly dokončeny v červnu 1982 a v listopadu NCI požádal o IND, který byl nutný k zahájení klinických zkoušek na lidech.
Rané klinické zkoušky, dodávky a převod na společnost BMS
Klinické zkoušky fáze I byly zahájeny v dubnu 1984 a o rok později bylo rozhodnuto o zahájení zkoušek fáze II. Tyto rozsáhlejší zkoušky vyžadovaly více kůry a byl zadán sběr dalších 12 000 liber, což umožnilo zahájení některých zkoušek fáze II do konce roku 1986. V té době však již bylo jasné, že poptávka po taxolu může být značná a že bude zapotřebí minimálně více než 60 000 liber kůry. Toto nebývale velké množství poprvé vyvolalo ekologické obavy o dopad na populace tisu, protože místní politici a lesníci vyjádřili nad programem znepokojení.
První veřejná zpráva ze studie fáze II z května 1988 ukázala účinek u pacientů s melanomem a pozoruhodnou 30% míru odpovědi u pacientů s refrakterním karcinomem vaječníků.
V té době Gordon Cragg z oddělení přírodních produktů NCI vypočítal, že syntéza dostatečného množství taxolu k léčbě všech případů rakoviny vaječníků a melanomu v USA by vyžadovala zničení 360 000 stromů ročně. Poprvé se začalo vážně uvažovat o problému zásobování…
Vzhledem k praktickému a zejména finančnímu rozsahu potřebného programu se NCI rozhodl usilovat o spojení s farmaceutickou společností a v srpnu 1989 zveřejnil dohodu o spolupráci při výzkumu a vývoji (CRADA), v níž nabídl své stávající zásoby a dodávky ze současných zásob kůry spolu s vlastnickým přístupem k dosud shromážděným údajům společnosti, která se zaváže poskytnout finanční prostředky na shromáždění dalších surovin, izolaci taxolu a financování velké části klinických zkoušek. Slovy Goodmana a Welshe, autorů významné vědecké knihy o taxolu,
[NCI] nemyslela na spolupráci, ale na předání taxolu (a jeho problémů).
Ačkoli byla CRADA široce inzerována, reagovaly na ni pouze čtyři společnosti, včetně společnosti Bristol-Myers Squibb (BMS),
která byla vybrána jako partner v prosinci 1989. Výběr společnosti BMS se později stal kontroverzním a byl předmětem slyšení v Kongresu v letech 1991 a 1992. Ačkoli se zdá být jasné, že NCI neměl jinou možnost než hledat komerčního partnera, došlo také ke kontroverzím ohledně podmínek dohody, což nakonec vedlo ke zprávě Generálního účetního úřadu v roce 2003, která došla k závěru, že NIH nezajistil efektivní využití peněz. V souvisejících smlouvách CRADA s USDA a ministerstvem vnitra získala společnost Bristol-Myers Squibb výhradní přednostní právo na veškeré federální dodávky Taxus brevifolia.
Tato exkluzivní smlouva vedla k určité kritice za to, že BMS získala „monopol na rakovinu“.
Osmnáct měsíců po uzavření CRADA podala společnost BMS žádost o nový lék (NDA), která byla schválena FDA na samém konci roku 1992.
Ačkoli na tuto sloučeninu neexistoval patent, ustanovení Waxmanova-Hatchova zákona dávala společnosti Bristol-Myers Squibb pětiletá výhradní práva na uvedení na trh.
V roce 1990 společnost Bristol-Myers Squibb požádala o ochrannou známku na název „taxol“ jako TAXOL®. Ta byla kontroverzně schválena v roce 1992. Současně „paklitaxel“ nahradil „taxol“ jako obecný název sloučeniny. Kritici, včetně časopisu Nature, argumentovali tím, že název taxol byl používán více než dvacet let a ve více než 600 vědeckých článcích, a navrhovali, aby ochranná známka nebyla udělena a společnost BMS se vzdala svých práv na ni. Společnost BMS argumentovala tím, že změna názvu by způsobila zmatek mezi onkology a možná by ohrozila zdraví pacientů. Společnost BMS nadále hájila svá práva na název u soudů.
Společnost BMS byla také kritizována za zkreslování informací Goodmanem a Walshem, kteří citují ze zprávy společnosti, v níž se uvádí, že
Teprve v roce 1971 se podařilo … testováním … izolovat paklitaxel, původně označovaný jako „sloučenina 17“.
Tato citace je přísně vzato přesná: námitka zřejmě spočívá v tom, že se zavádějícím způsobem opomíjí vysvětlit, že to byl vědec, který provedl izolaci, kdo pojmenoval sloučeninu taxol, a že více než dvacet let se o ní nemluvilo jinak.
Roční prodeje dosáhly vrcholu v roce 2000 a dosáhly 1,6 miliardy USD; paklitaxel je nyní dostupný v generické formě.
Neporušená kůra tichomořského tisu obsahuje paklitaxel a příbuzné chemické látky.
Kůra se loupe a zpracovává na paklitaxel.
Od konce 70. let se o taxol zajímali chemici v USA a Francii. Několik amerických skupin, včetně jedné
Roberta A. Holtona, se pokoušela o totální syntézu této molekuly z výchozích materiálů petrochemického původu. Tato práce byla motivována především jako způsob získání chemických poznatků, nikoliv s očekáváním vývoje praktické výrobní techniky. Naproti tomu francouzská skupina Pierra Potiera z CNRS rychle rozpoznala problém výtěžnosti. Jeho laboratoř se nacházela v areálu, kde rostl příbuzný tis Taxus baccata, takže jehličí bylo místně dostupné ve velkém množství. V roce 1981 prokázal, že je možné izolovat relativně velké množství sloučeniny 10-deacetylbakatinu, což je pravděpodobný první krok pro polosyntetickou cestu výroby taxolu. V roce 1988 se podílel na zveřejnění takové polosyntetické cesty z jehlic Taxus baccata.
Podle názoru NCI však ani tato cesta nebyla praktická.
V roce 1988, a zejména po Potierově publikaci, bylo i Holtonovi jasné, že praktická polosyntetická cesta výroby bude důležitá. Koncem roku 1989 Holtonova skupina vyvinula polosyntetickou cestu k paklitaxelu s dvojnásobným výtěžkem oproti Potierovu postupu. Floridská státní univerzita, kde Holton pracoval, podepsala smlouvu se společností Bristol-Myers Squibb o licenci na tento a budoucí patenty. V roce 1992 si Holton nechal patentovat vylepšený postup s 80% výtěžností. Společnost BMS převzala tento proces do svých rukou a začala v Irsku vyrábět paklitaxel z 10-deacetylbakatinu izolovaného z jehlic tisu evropského. Počátkem roku 1993 mohla společnost BMS oznámit, že do konce roku 1995 přestane využívat kůru tichomořského tisu, čímž fakticky ukončila ekologický spor o jeho používání. Tímto oznámením byl také splněn jejich závazek vyvinout alternativní způsob dodávek, který učinili vůči NCI ve své žádosti o CRADA z roku 1989.
V současné době se při výrobě paklitaxelu pro společnost BMS používá technologie fermentace rostlinných buněk (PCF) vyvinutá biotechnologickou společností Phyton Biotech, Inc. a prováděná v jejím závodě v Německu. Ta vychází ze specifické buněčné linie taxusu množené ve vodném prostředí ve velkých fermentačních nádržích. Paklitaxel se pak přímo extrahuje, čistí chromatografií a izoluje krystalizací. Ve srovnání s polosyntézou odpadá při PCF potřeba mnoha nebezpečných chemikálií a ušetří se značné množství energie.
V roce 1993 bylo zjištěno, že taxol shodou okolností produkuje nově popsaná houba žijící v tisu, viz: Stierle, A., Gary Strobel a další (1993). „Taxol and Taxane Production by Taxomyces-Andreanae, an Endophytic Fungus of Pacific Yew“ (Produkce taxolu a taxanu endofytickou houbou tichomořského tisu). Science 260(5105): 214-216. Od té doby byl nalezen u řady dalších endofytických hub, včetně Nodulisporium sylviforme, což otevírá možnost produkce taxolu kultivací některého z těchto druhů hub.
Původní motivací pro syntetické přístupy k paklitaxelu byla možnost vytvořit blízce příbuzné sloučeniny. Tento přístup skutečně vedl k vývoji docetaxelu.
Paklitaxel narušuje normální funkci rozpadu mikrotubulů. Zatímco léky jako kolchicin způsobují depolymerizaci mikrotubulů, paklitaxel zastavuje jejich funkci tím, že má opačný účinek; hyperstabilizuje jejich strukturu. Tím zničí schopnost buňky pružně využívat svůj cytoskelet. Konkrétně se paklitaxel váže na β podjednotku tubulinu. Tubulin je „stavebním kamenem“ mikrotubulů a vazba paklitaxelu tyto stavební kameny uzamkne na místě. Vzniklý komplex mikrotubulů a paklitaxelu nemá schopnost se rozložit. To nepříznivě ovlivňuje funkci buňky, protože zkracování a prodlužování mikrotubulů (označované jako dynamická nestabilita) je nezbytné pro jejich funkci jako mechanismu pro transport dalších buněčných složek. Například během mitózy mikrotubuly umisťují chromozomy během jejich replikace a následného rozdělení na dvě dceřiná buněčná jádra.
Další výzkum ukázal, že paklitaxel vyvolává programovanou buněčnou smrt (apoptózu) v nádorových buňkách tím, že se váže na protein zastavující apoptózu zvaný Bcl-2 (B-cell leukemia 2), a tím zastavuje jeho funkci.
Kromě stabilizace mikrotubulů může paklitaxel působit jako molekulární mop tím, že sekvestruje volný tubulin a účinně tak vyčerpává zásoby tubulinových monomerů a/nebo dimerů v buňkách. Tato aktivita může vyvolat výše zmíněnou apoptózu.
Společným znakem většiny nádorových buněk je rychlé buněčné dělení. Aby se tomu přizpůsobil, dochází k rozsáhlé restrukturalizaci buněčného cytoskeletu. Paklitaxel je účinnou léčbou agresivních druhů rakoviny, protože nepříznivě ovlivňuje proces buněčného dělení tím, že zabraňuje této restrukturalizaci. Rakovinné buňky jsou ničeny také výše zmíněným anti-Bcl-2 mechanismem. Ostatní buňky jsou rovněž nepříznivě ovlivněny, ale protože se nádorové buňky dělí mnohem rychleji než nenádorové buňky, jsou k léčbě paklitaxelem mnohem citlivější.
TAXOL® je ve Velké Británii schválen pro léčbu rakoviny vaječníků, rakoviny prsu a rakoviny plic. Používá se také při léčbě Kaposiho sarkomu.
V pokynech NICE z června 2001 je doporučeno jeho použití u nemalobuněčného karcinomu plic u pacientů nevhodných pro kurativní léčbu a v první a druhé linii léčby karcinomu vaječníků. V září 2001 NICE doporučil, že paklitaxel by měl být k dispozici pro léčbu pokročilého karcinomu prsu po selhání antracyklické chemoterapie, ale jeho použití v první linii by mělo být omezeno na klinické studie. V září 2006 NICE doporučil, že paklitaxel by neměl být používán v adjuvantní léčbě časného karcinomu prsu s pozitivními uzlinami.
Náklady NHS na jednu pacientku v případě časného karcinomu prsu činí za předpokladu čtyř cyklů léčby přibližně 6000 USD.
Blízce příbuzný taxan docetaxel má podobné klinické využití jako paklitaxel. Na trhu se prodává pod názvem Taxotere.
Velká část klinické toxicity přípravku TAXOL® je spojena s rozpouštědlem Cremophor, ve kterém je rozpuštěn.
Společnost Abraxis Bioscience vyvinula přípravek Abraxane, v němž je paklitaxel vázán na albumin jako alternativní podávací činidlo, jako alternativu k často toxickému způsobu podávání rozpouštědlem. Ten byl v lednu 2005 schválen Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv pro léčbu karcinomu prsu po selhání kombinované chemoterapie metastatického onemocnění nebo relapsu do šesti měsíců po adjuvantní chemoterapii.
Kremofor EL se používá v přípravku TAXOL® (paklitaxel) pravděpodobně jako látka omezující dávku kvůli jeho toxicitě. (Přípravek paklitaxelu, který místo přípravku Cremophor EL používá nanočástice albuminu, se prodává jako alternativa pod obchodním názvem Abraxane.
Paklitaxel se používá jako antiproliferativní látka k prevenci restenózy (opakovaného zúžení) koronárních stentů; lokálně podaný do stěny koronární tepny omezuje růst neointimy (zjizvené tkáně) ve stentu. Stenty potažené paklitaxelem se ve Spojených státech prodávají pod obchodním názvem Taxus společnosti Boston Scientific.
Mezi časté nežádoucí účinky patří nevolnost a zvracení, ztráta chuti k jídlu, změna chuti, řídnutí nebo lámavost vlasů, bolest kloubů rukou nebo nohou trvající 2-3 dny, změna barvy nehtů, brnění rukou nebo prstů. Mohou se také vyskytnout závažnější nežádoucí účinky, jako jsou neobvyklé modřiny nebo krvácení, bolest/červenání/otékání v místě vpichu, změna normálních střevních návyků trvající déle než 2 dny, horečka, zimnice, kašel, bolest v krku, potíže s polykáním, závratě, dušnost, silné vyčerpání, kožní vyrážka, zrudnutí v obličeji a bolest na hrudi. Řada těchto nežádoucích účinků souvisí s použitou pomocnou látkou, Cremophor EL, polyoxyethylovaným ricinovým olejem. Alergie na léky, jako je cyklosporin, teniposid a léky obsahující polyoxyethylovaný ricinový olej, mohou znamenat zvýšené riziko nežádoucích reakcí na paklitaxel. Před zahájením léčby paklitaxelem se podává dexametazon, který zmírňuje některé nežádoucí účinky.
V posledních letech probíhá rozsáhlý výzkum, jehož cílem je najít způsob, jak zmírnit nežádoucí účinky paklitaxelu změnou jeho podávání. DHA-paklitaxel, PG-paklitaxel a nádorově aktivované proléčiva taxolu se neustále testují a jsou na cestě k zavedení do širokého klinického použití.
Společnost Protarga spojila paklitaxel s kyselinou dokosahexaenovou (DHA), mastnou kyselinou, kterou nádorové buňky snadno přijímají; zdá se, že DHA-paklitaxel „není cytotoxický, dokud se vazba s DHA v buňce nerozštěpí“. Výhodou DHA-paklitaxelu oproti paklitaxelu je schopnost DHA-paklitaxelu přenášet do buněk mnohem vyšší koncentrace paklitaxelu, které se v nádorových buňkách udrží delší dobu, čímž se zvyšuje jejich účinek. Díky zvýšené aktivitě může mít DHA-paklitaxel, známý také jako taxoprexin, u pacientů s rakovinou úspěšnější odezvu než taxol a může být schopen léčit více typů rakoviny, než bylo možné léčit taxolem.
Společnost Cell Therapeutics vytvořila přípravek PG-paklitaxel, což je paklitaxel navázaný na polyglutamátový polymer; nádorové buňky jsou pro polyglutamátové polymery výrazně poréznější než normální buňky, což je způsobeno netěsností endoteliálních membrán nádorových buněk. PG-paklitaxel byl zaveden do klinického použití a ukázalo se, že iniciuje velmi mírné vedlejší účinky a účinně léčí mnoho pacientů, kteří nereagovali na působení taxolu. PG-paklitaxel může být velmi slibným protinádorovým lékem, protože je mnohem selektivnější než paklitaxel pro to, na které buňky cílí.
Společnost ImmunoGen v posledních letech zavádí technologii TAP (Tumor-Activated Prodrug) a nyní pracuje na použití této technologie u paklitaxelu. Nádorem aktivované proléčiva taxolu jsou navržena pro přesné zacílení působením monoklonální protilátky, která je velmi specifická pro určité buňky. Výzkum nádorově aktivovaných proléčiv taxolu pokračuje a u myší „TAP na bázi taxanu zcela zlikvidoval lidské nádorové xenografty při netoxických dávkách“.
ANG1005 se skládá z jedné molekuly peptidu zvaného Angiopep-2 spojené se třemi molekulami paklitaxelu. Je ve fázi I klinických studií u některých typů rakoviny.
Kromě přímého klinického použití se paklitaxel hojně používá v biologickém a biomedicínském výzkumu jako stabilizátor mikrotubulů. Testy in vitro zahrnující mikrotubuly, jako jsou testy pohyblivosti, se obecně spoléhají na to, že paklitaxel udrží integritu mikrotubulů v nepřítomnosti různých nukleačních faktorů a dalších stabilizačních prvků, které se nacházejí v buňce. Používá se například pro in vitro testy léčiv, jejichž cílem je změnit chování mikrotubulárních motorických proteinů, nebo pro studie mutantních motorických proteinů. Paklitaxel se někdy používá také pro studie in vivo; lze jej podávat testovaným organismům, jako jsou ovocné mušky, nebo jej vstřikovat do jednotlivých buněk, aby se inhibovalo rozpadání mikrotubulů nebo aby se zvýšil počet mikrotubulů v buňce.