Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ANTICANCER ACTIVITY OF TROPOLONE ALKALOIDS IN VITRO AND IN VIVO

Maksimov A.Yu. 1 Lukbanova E.A. 1 Sayapin Y.A. 2 Gusakov E.A. 3 Goncharova A.S. 1 Lysenko I.B. 1 Protasova T.P. 1
1 Federal State Budgetary Institution «National medical research centre for oncology» of the Ministry of Health of the Russian Federation
2 Southern Scientific Center of Russian Academy of Sciences
3 Research Institute of Physical and Organic Chemistry, Southern Federal University
В настоящее время, несмотря на большое количество химиотерапевтических средств, актуальной является задача поиска новых противоопухолевых препаратов, поскольку известные цитостатики имеют ряд недостатков: развитие у многих типов опухолей химиорезистентности, тяжелые побочные эффекты и пр. Алкалоиды трополонового ряда являются обширной группой семичленных сопряженных циклических гидроксикетонов природного и синтетического происхождения, проявляющих противовоспалительные, антиоксидантные, антивирусные, антибактериальные, противогрибковые, инсектицидные и противоопухолевые свойства. Трополоны, сочетая в себе выраженную цитотоксическую активность в отношении опухолевых клеток и относительно малую токсичность как к нормальным человеческим клеткам, так и в отношении целого организма, представляют объект для пристального внимания ученых в качестве противоопухолевых веществ. В настоящей работе проанализированы результаты исследований цитотоксической активности в отношении различных культур нормальных и опухолевых клеток человека таких трополонов, как 7-бром-2-(4-гидроксианалино)-тропон, 4-изопропил-2-(2-гидроксианилино)-тропон, 4-ацетилтрополон, имеющих синтетическое происхождение, и природных трополонов: хиноктиола (β-туяплицина), γ-туяплицина, β-долабрина. Показана противоопухолевая активность хиноктиола в отношении подкожных ксенографтов различных культур опухолевых клеток. Также приведены результаты доклинических исследований острой токсичности на мышах таких веществ, как γ-туяплицин, α-туяплицин, β-долабрин, хиноктиол, 4-ацетилтрополон. Показано, что из всех рассмотренных веществ выраженный противоопухолевый эффект оказывает хиноктиол.
Despite the large number of chemotherapeutic agents, the search for new antitumor preparations is still an urgent task, as well-known cytostatics have several disadvantages: the development of chemoresistance in many types of tumors, severe side effects, etc. Tropolone alkaloids are an extensive group of seven-membered conjugated cyclic hydroxyketones of natural and synthetic origin with anti-inflammatory, antioxidant, antiviral, antibacterial, antifungal, insecticidal and anticancer properties. Tropolones are under close attention of scientists as antitumor substances due to their pronounced cytotoxic activity in relation to tumor cells and relatively low toxicity both to normal human cells and to the whole organism. In this paper, we analyzed the results of studies on the cytotoxic activity against various cultures of normal and tumor human cells in such tropolones as 7-bromine-2-(4-hydroxyanalin)-tropon, 4-isopropyl-2-(2-hydroxyanilin)-tropon, and 4-acetyltropolone, having a synthetic origin, and in natural tropolones: hinokitiol (β-thujaplicin), γ-thujaplicin, β-dolabrin. Hinokitiol demonstrated its anticancer activity on subcutaneous xenographs of various tumor cell cultures. The results of preclinical studies on acute toxicity of such substances as γ-thujaplicin, α-thujaplicin, β-dolabrin, hinokitiol, and 4-acetyltropolone in mice were also presented. Hinokitiol exhibited the most potent anticancer effect of all the examined substances.
tropolones
tropolone alkaloids
hinokitiol
xenographs
acute toxicity
viability
inhibitory concentration

Трополоны (2-гидрокситропоны, алкалоиды трополонового ряда) относятся к небензоидным ароматическим соединениям и представляют собой семичленные сопряженные циклические гидроксикетоны [1]. На рисунке представлена общая структурная формула данных соединений.

Структурная формула трополонов

Название данной группы веществ дал в 1945 году индийский химик Михаэль Джеймс Стюарт Девар, который открыл новый тип ароматической структуры с семичленным кольцом [2]. Данное открытие положило начало изучению совершенно новой области в химии – небензоидной ароматичности. Однако после активного изучения в 60-70 годах ХХ столетия данной группы веществ интерес к ним постепенно снизился вплоть до 90-х годов, когда начался новый виток химических и биологических исследований благодаря появлению методов синтеза аналогов, а также биологических, фармакологических методов исследования. В настоящее время отмечается повышенный интерес к алкалоидам трополонового ряда и активное изучение их свойств, безопасности и эффективности, что подтверждается многочисленными работами [3-5].

Трополоны представляют собой довольно большую группу циклических соединений природного и синтетического происхождения. Одними из самых известных и наиболее изученных природных алкалоидов трополонового ряда являются колхицин, колхамин и β-туяплицин (хиноктиол). Их выделяют из экстракта, получаемого путем перегонки древесины Т. Dolabrata методом Nozoe T [6; 7]. В настоящее время разработан ряд методов синтеза трополонов, позволяющих получить широкий спектр соединений, проявляющих различные биологические свойства, что является несомненным потенциалом для рынка фармацевтической продукции. Прежде чем синтезировать новое вещество, обладающее желаемыми свойствами, полезно построить модель «структура-свойство», позволяющую прогнозировать количественные характеристики биологической активности химического соединения и называемую Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) [8]. QSAR-анализ структуры соединений из группы 2-аминотропонов и их цитотоксической активности по отношению к нормальным (HGF и HPLF) и опухолевым (Ca9-22, HSC-2, HSC-3) клеткам показал, что последняя возрастает с увеличением длины метиленовой боковой цепи в молекуле [9].

У ряда исследованных трополонов в результате многочисленных исследований обнаружены противоопухолевые [10-12], антиоксидантные [13], антивирусные [14], антибактериальные [15; 16], противогрибковые [17; 18], противовоспалительные [19; 20] свойства. Таким образом, трополоны представляют собой перспективную группу соединений для использования в клинической практике, что требует дальнейшего подробного изучения их биологических свойств.

Целью настоящей работы является обзор и анализ литературных данных, касающихся изучения противоопухолевой активности алкалоидов трополонового ряда in vitro на культурах клеток и in vivo на ксенографтах.

Поиск литературы был проведен в базах данных Cyberleninca, PubMed, Scopus с использованием поисковых запросов: tropolone, tropone, hinokitiol, cancer, начиная с первого упоминания в литературе об алкалоидах трополонового ряда в середине прошлого века, а также за последние три десятилетия.

итотоксическая активность алкалоидов трополонового ряда in vitro

В настоящее время существует большой арсенал химиотерапевтических препаратов, однако многие из них вызывают тяжелые токсические реакции. Кроме того, имеет место развивающаяся в процессе лечения химиорезистентность опухолей. Поэтому остается актуальным вопрос поиска новых более совершенных химиотерапевтических средств. Очень важным в использовании цитостатиков в клинической практике является минимизация их влияния на нормальные клетки и ткани человека. В различных исследованиях было показано, что трополоны отвечают этому требованию [21; 22]. В представленной ниже таблице 1 приведены результаты изучения цитотоксической активности трополонов в отношении некоторых культур клеток человека in vitro, проведенных с использованием МТТ-теста.

Одним из самых изученных на сегодняшний день трополоном является хиноктиол (β-туяплицин), имеющий природное происхождение [23-25]. Данное соединение проявляет противоопухолевую активность по отношению к различным культурам опухолевых клеток, что было продемонстрировано в ряде работ [26-28]. Так, Shih Y.-H. и соавт. исследовали цитотоксическую активность данного вещества по отношению к культурам клеток плоскоклеточной карциномы ротовой полости человека HSC-3, SAS, HСC-4 и выяснили, что при воздействии в течение 24 часов хиноктиолом в концентрации 200 мкМ наименьшую жизнеспособность проявляет культура клеток HSC-3 – 15% [22].

При более длительном воздействии (72 часа) хиноктиола малых концентраций (0,002 мкМ) на клетки рака желудка человека КАТО-III и асцитной карциномы Эрлиха был отмечен незначительный цитотоксический эффект [6].

Seo J.S. и соавт. провели сравнительное изучение цитотоксической активности хиноктиола на культуры клеток рака толстой кишки человека HCT-116, SW-480 и нормальной клеточной линии толстой кишки CCD18Co, показавшее относительную резистентность к воздействию неопухолевых клеток по сравнению со злокачественными. Наибольший дозозависимый ответ был получен на линии HCT-116: уже при 10 мкМ вещества жизнеспособность составила 26% и уменьшилась до 5% при действии хиноктиола концентрацией 100 мкМ [18].

Аналогичное исследование было проведено с культурами клеток рака толстой кишки человека HCT-116, SW-620 и нормальными клетками толстой кишки человека CCD-112CoN, показавшее еще более выраженную резистентность нормальных клеток по сравнению с опухолевыми: жизнеспособность культуры CCD-112CoN составляла 98%, а культур HCT-116 и SW-620 – 40 и 30% соответственно [29].

Различия в чувствительности к воздействию хиноктиолом нормальных и опухолевых клеток, вероятно, связано с их пролиферативной активностью: трополон, судя по приведенным данным, в большей степени оказывает ингибирующий эффект на высокопролиферирующие клетки, к которым относятся раковые [30; 31].

Zhang G. и соавт. также показали резистентность нормальных клеток печени HL-7702 к действию хиноктиола: в зависимости от значений его концентрации в диапазоне 50-200 мкМ жизнеспособность составляла от 87 до 90%. При воздействии хиноктиолом на опухолевые культуры HepG2, SMMC-7721 и HCCLM3 его цитотоксическая активность оказалась невысокой и изменялась незначительно при четырехкратном увеличении концентраций вещества. Наиболее чувствительной в данном эксперименте оказалась культура HepG2. [30].

Активность хиноктиола была также опробирована на культурах клеток рака молочной железы AS-B145 и BT-474. Последняя оказалась более чувствительной к цитотоксическому действию вещества (IC50=46,5±8 мкМ) по сравнению с AS-B145 (IC50=266,9±42,6 мкМ) [31].

Интерес представляет сравнительное исследование цитотоксической активности в отношении культур клеток рака желудка КАТО-III и асцитной карциномы Эрлиха синтетического 4-ацетилтрополона, природного хиноктиола и винкристина. Наибольший ингибирующий эффект был проявлен хиноктиолом: при воздействии концентрациями 0,03 и 0,12 мкМ жизнеспособность клеток рака желудка составляла 10 и 8%, а асцитной карциномы Эрлиха – 24 и 7% соответственно. Активность 4-ацетилтрополона оказалась ниже, чем у хиноктиола, однако при действии в концентрации 0,12 мкМ на клетки КАТО-III его цитотоксическая активность была в 2 раза выше по сравнению с винкристином в той же концентрации. Данное исследование свидетельствует о том, что трополоны могут оказывать даже больший цитотоксический эффект, чем некоторые цитостатики, использующиеся в терапевтической практике, что позволяет рассматривать их в качестве соединений, обладающих противоопухолевой активностью [32].

Таблица 1

Противоопухолевая активность алкалоидов трополонового ряда in vitro

Вещество

Культура клеток

Время инкубации, ч

Концентрация,

мкМ

Действие, %

Источник

7-бром-2-(4-гидроксианилино)-тропон

Плоскоклеточная карцинома ротовой полости человека HSC-2

24

289

50*

Wakabayashi H. et al. [21]

48

84

72

62

96

61

Плоскоклеточная карцинома ротовой полости человека HSC-3

24

450

48

102

72

69

96

63

Плоскоклеточная карцинома ротовой полости человека HSC-4

24

345

48

124

72

63

96

49

4-изопропил-2-(2-гидроксианилино)-тропон

Плоскоклеточная карцинома ротовой полости человека HSC-2

24

375

50*

48

63

72

31

96

37

Плоскоклеточная карцинома ротовой полости человека HSC-3

24

409

48

103

72

52

96

48

Плоскоклеточная карцинома ротовой полости человека HSC-4

24

354

48

94

72

56

96

50

Хиноктиол (β-туяплицин)

Плоскоклеточная карцинома ротовой полости человека HSC-3

24

200

15**

Shih Y.-H. et al. [22]

Плоскоклеточная карцинома ротовой полости человека SAS

45**

Плоскоклеточная карцинома ротовой полости человека SCC4

30**

Хиноктиол (β-туяплицин)

Рак желудка человека КАТО-III

72

0,002

54**

Matsumura E. et al. [6]

Асцитная карцинома Эрлиха

58**

γ-туяплицин

Рак желудка человека КАТО-III

0,002

85**

Асцитная карцинома Эрлиха

91**

β-долабрин

Рак желудка человека КАТО-III

0,002

67**

Асцитная карцинома Эрлиха

75**

Хиноктиол (β-туяплицин)

Рак желудка человека КАТО-III

-

0,03

10**

Morita Y. et al. [32]

0,12

8**

Асцитная карцинома Эрлиха

0,03

24**

0,12

7**

4-ацетилтрополон

Рак желудка человека КАТО-III

0,03

75**

0,12

12**

Асцитная карцинома Эрлиха

0,03

92**

0,12

30**

Винкристин

Рак желудка человека КАТО-III

0,006

32**

0,024

30**

Асцитная карцинома Эрлиха

0,006

48**

0,024

36**

Хиноктиол (β-туяплицин)

Рак толстой кишки человека HCT-116

72

10

26**

Seo J.S. et al. [18]

50

13**

100

5**

Рак толстой кишки человека SW480

10

30**

50

26**

100

22**

Нормальная клеточная линия толстой кишки CCD18Co

10

67**

50

52**

100

67**

Хиноктиол (β-туяплицин)

Рак молочной железы человека AS-B145

48

266,9±42,6

50*

Chen S.-M. et al. [31]

Рак молочной железы человека BT-474

46,5±8

Хиноктиол (β-туяплицин)

Рак толстой кишки человека HCT-116

48

10

40**

Lee Y.-S. et al. [29]

Рак толстой кишки человека SW-620

30**

Нормальные клетки толстой кишки человека CCD-112CoN

98**

Хиноктиол (β-туяплицин)

Рак печени человека HepG2

24

50

60**

Zhang G. et al. [30]

100

50**

200

47**

Рак печени человека SMMC-7721

50

87**

100

78**

200

70**

Рак печени человека HCCLM3

50

87**

100

85**

200

68**

Нормальные клетки печени человека HL-7702

50

90**

100

98**

200

87**

* - ингибирующая концентрация (IC50);

** - жизнеспособность клеток.

Помимо изучения действия соединений трополонового ряда, исследовали цитотоксическую активность γ-туяплицина и β-долабрина в отношении культур клеток рака желудка КАТО-III и асцитной карциномы Эрлиха. В результате воздействия обоих веществ в течение 72 часов в низкой концентрации 0,32 мкг/мл показатель жизнеспособности клеток оказался высоким и варьировал от 75 до 91% в зависимости от вещества и клеточной культуры [6].

Wakabayashi H. и соавт. изучали цитотоксическую активность синтезированных 7-бром-2(4-гидроксианалино)-тропона и 4-изопропил-2-(2-гидроксианалино)-тропона в отношении культур клеток плоскоклеточной карциномы ротовой полости человека HSC-2, HSC-3, HSC-4. Наименьшие ингибирующие концентрации (IC50), а, следовательно, и наибольшая цитотоксическая активность были отмечены для 7-бром-2(4-гидроксианалино)-тропона при его воздействии в течение 72 и 96 часов на культуру HSC-4 и 4-изопропил-2-(2-гидроксианалино)-тропона – на культуру HSC-2 [21].

Таким образом, алкалоиды трополонового ряда как природного, так и синтетического происхождения проявляют различную цитотоксическую активность в зависимости от соединения и его концентрации, времени экспозиции и культуры клеток.

Исследования острой токсичности трополонов как одного из ключевых этапов доклинических исследований химических субстанций

Характерным свойством для подавляющего большинства цитотоксических препаратов является их высокая токсичность для организма в целом. Ключевым фактором в решении вопроса о возможности использования в клинической практике препаратов на основе той или иной химической субстанции, имеющей выраженный цитотоксический эффект, является коридор эффективных малотоксичных доз, обладающих выраженным лечебным эффектом и не оказывающих необратимо губительного действия на организм. В связи с этим важным этапом доклинических исследований химических субстанций является изучение их безопасности. В настоящем разделе рассмотрены результаты доклинических исследований по оценке токсичности некоторых представителей трополонов.

Так, при изучении острой токсичности на мышах линии ddY γ-туяплицина, β-долабрина и хиноктиола LD50 составила 277 мг/кг, 232 мг/кг, 191 мг/кг соответственно. А при воздействии γ-туяплицина, β-долабрина и хинокитиола в дозах 310, 295 и 240 мг/кг соответственно (LD100) наблюдалось оцепенение мышей через 15 минут после введения веществ, а смерть наступала примерно спустя 30 минут. Интересно, что цитотоксическая активность γ-туяплицина и β-долабрина была выше, чем у хиноктиола, тогда как острая токсичность γ-туяплицина оказалась ниже, чем у остальных. Авторы не смогли объяснить данный феномен, но тем не менее полученные результаты делают γ-туяплицин более перспективным для клинического применения [6].

Morita Y. и соавт. выявили, что острая токсичность 4-ацетилтрополона для мышей была ниже (LD50 - 335,2 мг/кг), чем у хинокитиола (LD50 - 191 мг/кг), β-долабрина (LD50 - 232 мг/кг), γ-туяплицина (LD50 - 277 мг/кг) и α-туяплицина (LD50 - 256 мг/кг). Более низкая активность 4-ацетилтрополона, чем у хиноктиола, β-долабрина, γ- и α-туяплицина, в сочетании с более низкой токсичностью 4-ацетилтрополона по сравнению с вышеперечисленными веществами объясняется авторами тем, что изопропильная группа хиноктиола, β-долабрина, γ- и α-туяплицина способствует повышению активности, по сравнению с ацетильной группой 4-ацетилтрополона [32].

Противоопухолевая активность хиноктиола (β-туяплицина) in vivo

Этапом изучения эффективности веществ, следующим после исследований in vitro, является фаза испытаний на животных моделях. В частности, противоопухолевую активность веществ исследуют на ксенографтах опухолей человека. Известен ряд работ, целью которых являлось изучение противоопухолевой эффективности хиноктиола (табл. 2).

Так, Chen W.-J. и соавт. при внутрибрюшинном введении хиноктиола иммунодефицитным мышам с имплантированной подкожно аденокарциномой легкого Н1975 в дозах 2 и 10 мг/кг с кратностью 1 раз в сутки получили уменьшение опухолевого узла до 47,58% и 47,59% по сравнению с объемом в контрольной группе соответственно [33]. При воздействии хиноктиола на ксенографты рака толстой кишки HCT-116 и SWG-620 в дозе 100 мг/кг и кратностью 1 раз в 2 суток масса опухолей уменьшилась до 52,2% и 60,4% соответственно [29]. Похожие результаты были получены при исследовании противоопухолевой активности этого же вещества на ксенографты маммосфер, выращенных из культуры клеток рака молочной железы BT-474: при воздействии дозой 40 мг/кг объем опухолевых узлов стал меньше в среднем на 45% и составлял 55% от объема опухолей в контрольной группе [31]. Высокую эффективность хиноктиол проявлял по отношению к ксенографтам рака печени HepG2: при воздействии вещества в дозе 5 мг/кг с кратностью 1 раз в сутки средний объем опухолевых узлов был меньше на 16% по сравнению с контрольной группой [30].

Таким образом, хиноктиол проявляет высокую противоопухолевую активность по отношению к ксенографтам различных культур опухолевых клеток человека.

Таблица 2

Противоопухолевая активность хиноктиола (β-туяплицина) in vivo

Вещество

Способ введения

Культура клеток

Доза

Средняя масса/объем опухоли в контрольной группе

Средняя масса/объем опухоли в экспериментальной группе

% изменения массы/объема опухоли в экспериментальной группе по сравнению с контрольной

Источник

Хиноктиол (β-туяплицин)

внутрибрюшинно

Аденокарцинома легкого H1975

2 мг/кг/сут.

950 мм3

452 мм3

47,58

Chen W.-J. et al. [33]

10 мг/кг/сут.

452 мм3

47,59

Хиноктиол (β-туяплицин)

внутрибрюшинно

Рак печени человека HepG2

5 мг/кг/сут

1025 ± 272 мм3

170 ±108 мм3

16

Zhang G. et al. [30]

Хиноктиол (β-туяплицин)

пероральное

Рак толстой кишки человека HCT-116

100 мг/кг

1 раз/2 дня

469 мг

245 мг

52,2

Lee Y.-S. et al. [29]

Рак толстой кишки человека SW620

417 мг

252 мг

60,4

Хиноктиол (β-туяплицин)

внутрибрюшинно

Рак молочной железы человека BT-474 (маммосферы)

40 мг/кг

400 мм3

220 мм3

55

Chen S.-M. et al. [31]

 

Заключение

К трополонам, представляющим собой отдельный класс небензоидных ароматических соединений, относится огромное число веществ, обладающих широким спектром биологического действия и проявляющих противовоспалительные, антиоксидантные, антибактериальные и цитостатические свойства. Освещенные в данной работе вещества, а именно хиноктиол (β-туяплицин), γ-туяплицин, β-долабрин, 7-бром-2-(4-гидроксианалино)-тропон, 4-изопропил-2-(2-гидроксианилино)-тропон, 4-ацетилтрополон, в различной степени проявляют противоопухолевую активность в зависимости от условий эксперимента.

Большинство из рассмотренных нами трополонов не оказывают значительного действия на нормальные клетки человека, при этом проявляя высокий цитотоксический эффект в отношении ряда опухолевых культур клеток, что может быть связано с высокой пролиферативной активностью последних. Многим из изученных алкалоидов трополонового ряда (γ-туяплицина, α-туяплицина, β-долабрина, хиноктиола, 4-ацетилтрополона) свойственна низкая острая токсичность.

Наиболее изученным и обладающим значительной цитотоксической активностью из рассмотренных трополонов является хиноктиол, который уже нашел свое применение в медицине [34-36].

Таким образом, трополоны являются перспективной группой соединений, которые после тщательных исследований их безопасности, эффективности, механизмов действия могли бы использоваться в качестве противоопухолевых средств.