FARMACOTERAPIE

Mecanisme moleculare ale rezistenţei medicamentoase implicate în farmacoterapia cancerului

 Molecular mechanism of drug resistance involved in cancer pharmacotherapy

Alina Crenguța Nicolae, Camelia Trăistaru, Andreea Letiția Arsene, Anca Oana Docea, Manuela Petreanu, Denisa Udeanu, Cristina Manuela Drăgoi

First published: 11 decembrie 2017

Editorial Group: MEDICHUB MEDIA

DOI: 10.26416/FARM.179.6.2017.1307

Abstract

Cancer is one of the leading causes of death worldwide. Originally, cancer is a genetic disease. Cancer development is a complex process involving genetic and epigenetic alterations, and the inactivation of tumor suppressor genes, theamplification of DNA sequences, chromosome rearrangements and mutations that cause the activation of oncogenes represent some of the mechanisms by which cancer is developed.  Current pharmacotherapy options include cancer surgery, radiotherapy and systemic chemotherapy. The introduction of targeted therapy in medical practice has resulted in limiting the cytotoxic action to normal cells. If the problems related to the specificity of antitumor agents, by modulating their pharmacologic features, can be solved using targeted therapy, the major problem in the treatment of cancer remains the resistance that cancer cells develop on the basis of genetic heterogeneity. 
The development of multidrug resistance (MDR) mechanisms determines the transformation of chemosensitive cancer cells in chemoresistant cells, which may lead to the failure of therapy.

Keywords
pharmacotherapy, chemoresistant cancer cells

Rezumat

Cancerul reprezintă una dintre principalele cauze de deces, în întreaga lume. La origine, cancerul este o afecțiune genetică. Dezvoltarea cancerului este un proces complex, care implică alterări genetice și epigenetice, iar inactivarea genelor supresoare tumorale, amplificarea secvențelor ADN, rearanjările cromozomiale și mutațiile care determină activarea oncogenelor reprezintă unele dintre mecanismele prin care se instalează cancerul. Opțiunile actuale în ceea ce privește farmacoterapia cancerului cuprind intervențiile chirurgicale, radioterapia și chimioterapia sistemică. Introducerea terapiei țintite în practica medicală a dus la limitarea acțiunii citostatice, respectiv citotoxice, asupra celulelor normale. Dacă problemele care țin de specificitatea agenților antitumorali sau de proprietățile farmacologice pot fi rezolvate prin utilizarea terapiei țintite, respectiv prin modularea proprietăților moleculelor, problema majoră în tratamentul cancerului rămâne rezistența pe care celulele canceroase o dezvoltă pe baza eterogenității alterărilor genetice. Dezvoltarea mecanismelor de rezistență multimedicamentoasă (MDR – multidrug resistance) determină transformarea celulelor canceroase chimiosensibile în celule chimiorezistente, ceea ce poate conduce către eșecul terapiei.

Cancerul a fost redefinit de-a lungul timpului, în prezent existând date cuprinzătoare referitoare la modul în care se instalează și funcționează la nivel genetic și biochimic. Cu toate acestea, vindecarea cancerului continuă să ridice probleme, din cauza potențialului mutagen ridicat în celulele tumorale, dar și din cauza eterogenității alterărilor genetice, proprietăți care duc la recidivă.

În mediul celular normal, protooncogenele au un rol crucial în proliferarea și diferențierea celulară. Oncogenele de tipul celor prezente în cancerele umane au fost inițial descoperite în genomul retrovirusurilor. Deși multe oncogene au fost descoperite ca urmare a prezenței lor în retrovirusuri, sunt și oncogene, în special cele implicate în translocații caracteristice formelor particulare de leucemie sau limfom, care au fost izolate prin abordări genomice.

Creșterea și diferențierea celulelor normale sunt controlate de factorii de creștere care se leagă de receptorii aflați pe suprafața celulelor. Semnalele generate de receptorii membranari sunt transmise în interiorul celulei prin cascada în care sunt implicate kinaze, proteina G și alte proteine cu rol reglator. În final, aceste semnale influențează activitatea factorilor de transcripție din nucleu, care reglează expresia genelor cu rol în proliferarea, diferențierea și moartea celulelor. S-a descoperit că oncogenele îndeplinesc funcții în aceste etape critice și o activare improprie poate conduce la tumorigeneză. Mecanismele up-reglării oncogenelor se pot clasifica în trei categorii: mutații punctuale, amplificări ADN și rearanjări cromozomiale.

Două caracteristici definesc cancerul: creșterea celulară necontrolată și metastazarea. Creșterea celulară necontrolată fără metastazare este o caracteristică a neoplasmelor benigne. Fenotipul malign necesită mutații la nivelul mai multor gene care controlează proliferarea celulară, supraviețuirea, repararea ADN-ului, invazia și angiogeneza. Mutațiile care cauzează cancerul activează căile de transmitere a semnalului, conducând la proliferarea anormală a celulelor și, prin urmare, la perturbarea diferențierii specifice a țesuturilor. Celulele normale au un mecanism de reparare a ADN-ului deteriorat în timpul sintezei, mitozei sau ca răspuns la factori mutageni; acest mecanism este anormal în celulele canceroase. Când celulele au suferit deteriorări prea mari pentru a fi reparate, se activează calea apoptozei, pentru a preveni deteriorarea organului. Și acest mecanism este alterat în celulele canceroase, ceea ce duce la supraviețuirea celulelor care în mod normal ar fi eliminate.

Celulele canceroase pot exista în condițiile unei presiuni scăzute a oxigenului (hipoxie) și a privării de nutrienți, ceea ce duce la dezvoltarea unui tip de neoplasm care poate supraviețui în aceste condiții, prin up-reglarea unor gene inductibile în condiții hipoxice. Caracteristicile dobândite de noul fenotip facilitează invazia și metastazarea, prin abilitatea celulelor de a rupe membranele, trecând în matrixul extracelular și în compartimentul vascular, generând noi vase de sânge necesare migrării în zone îndepărtate. Acumularea leziunilor la nivel genetic rezultă în dezvoltarea unui fenotip anormal, așa cum se prezintă, de exemplu, în cancerul de colon: hiperplazie – adenom – displazie – carcinom in situ – carcinom invaziv.

Terapia cancerului se bazează pe intervenții locale, cum sunt intervențiile chirurgicale și radioterapia, care pot avea succes atunci când sunt viabile, și chimioterapie sistemică. Multe dintre medicamentele chimioterapice utilizate în practica medicală curentă prezintă mecanisme inhibitoare la nivelul procesului de diviziune celulară. Acești compuși antitumorali sunt citostatici sau citotoxici pentru toate celulele, inclusiv cele normale. Însă terapia țintită utilizează substanțe cu moleculă mică sau structuri macromoleculare, de exemplu anticorpii monoclonali, pentru a lega antigenele prezente la nivelul celulelor tumorale. 

Multe ținte pentru terapia anticanceroasă pot avea diferite subtipuri și funcții, ceea ce face mult mai dificilă găsirea inhibitorilor specifici. De exemplu, matrix-metaloproteinazele (MMPs) sunt implicate în clivarea mai multor molecule bioactive în afară de matrix-proteine și, din acest motiv, numai MMPs specifice pot fi selectate ca ținte ale terapiei antitumorale.

O altă problemă majoră în chimioterapie este rezistența dobândită de celulele canceroase după un tratament eficient inițial. Mai mult, ca urmare a dezvoltării unui mecanism de rezistență la un anumit medicament, poate să apară rezistența încrucișată la mai multe medicamente cu structuri și mecanisme de acțiune diferite, cunoscută ca rezistență multimedicamentoasă (MDR – multidrug resistance).

Chimioterapia combinată a fost introdusă în tratamentul cancerelor diseminate cu mai mult de 60 de ani în urmă, însă chiar și cele mai complexe scheme de tratament au eșuat în a vindeca o serie de pacienți. Acest lucru se datorează absenței informațiilor despre mecanismele prin care medicamentele interacționează. Trecerea de la un singur medicament la terapia combinată și personalizată în tratamentul cancerului este o nouă provocare, fiind  necesare noi metodologii pentru optimizarea designului terapiei combinate, cu scopul de a obține cel mai bun răspuns și o toxicitate minimă.

Tratamentul personalizat include terapia țintită îndreptată către alterări moleculare specifice și reprezintă următoarea etapă în lupta împotriva cancerului. Utilizarea tehnicilor genetice pentru a identifica pacienții care pot beneficia de terapia țintită poate face legătura între un anumit tratament și caracteristicile individuale ale pacientului. Însă, la acest nivel, apar probleme asociate cu potențialul mutagen ridicat și multirezistența la medicamente. De exemplu, în contextul cancerului de sân, nivelul receptorilor tirozin kinazici HER2/neu este identificat pentru a selecta terapia cu anticorpul monoclonal trastuzumab, dar în cazul multor pacienți care inițial răspund la tratament apar alterări moleculare secundare, cum este expresia proteinei p9HER-2. În ceea ce privește cancerul de colon, pacienții cu mutații ale genei b-Raf (V600E) prezintă, de asemenea, un răspuns scăzut la vemurafenib, posibil prin activarea receptorului pentru factorul de creștere epidermal (EGFR) prin feedback, ceea ce conduce la stimularea creșterii celulare.

Dezvoltarea anticorpilor monoclonali ca agenți antitumorali a fost remarcabilă în ultimii ani, însă apar limitări, fiind ineficienți față de celulele antigen-negative preexistente sau care dezvoltă această caracteristică prin mascarea antigenului sau în urma down-reglării. O altă strategie o reprezintă proteinele de fuziune recombinate, în care un fragment de anticorp este legat de ligandul TRAIL (TNF – related apoptosis-inducing ligand), dar aceasta eșuează atunci când celulele tumorale devin rezistente la procesul de piroptoză.

Terapia biologică

Terapia biologică include anticorpii monoclonali, imunotoxinele, vaccinurile, terapia genică și transferul de celule T. Majoritatea mecanismelor de acțiune pe care se bazează terapia biologică sunt legate de modularea răspunsului imun.

Anticorpii monoclonali

Celulele maligne prezintă la suprafața lor antigene specifice, care nu se găsesc la nivelul celulelor normale și care sunt ținte pentru legarea anticorpilor. Interesul pentru anticorpii monoclonali specifici, de legare a acestor antigene, a cunoscut o creștere rapidă, întrucât terapia cu anticorpi monoclonali este, în general, bine tolerată. Însă niciunul dintre acești agenți utilizați ca monoterapie nu a dus la vindecarea cancerului și, în plus, au o serie de efecte secundare și pot determina instalarea rezistenței medicamentoase. Anticorpii monoclonali pot fi utilizați în terapia anticanceroasă în diferite moduri: ca entități singulare, care se leagă de receptorii membranari și blochează căile de semnalizare implicate în creșterea și proliferarea celulară (trastuzumab, bevacizumab, cetuximab), pot fi utilizați cu scopul de a crește recrutarea celulelor sistemului imunitar la nivel tumoral (rituximab, alemtuzumab) sau pot fi utilizați pentru a permite cedarea țintită a unor enzime, radioizotopi sau altor molecule citotoxice la nivelul celulelor tumorale (ibritumomab, gemtuzumab).

Rituximab, un anticorp monoclonal himeric uman/murin, a fost primul anticorp monoclonal aprobat pentru terapia cancerului. Rituximab se leagă de secvențele de aminoacizi 170-173 și 182-185 ale antigenului CD20 specific limfocitelor T, afectând atât limfocitele T maligne, cât și pe cele normale, și conduce la dezvoltarea unei noi populații de limfocite T sănătoase.

În 1998, Food and Drug Administration (FDA) a aprobat trastuzumabul pentru terapia cancerului mamar, un anticorp monoclonal umanizat cu acțiune țintită asupra domeniului extracelular al receptorului HER-2, care determină degradarea și internalizarea acestuia. Mecanismul de acțiune al trastuzumabului include antagonizarea semnalelor constitutive de creștere celulară și atragerea celulelor sistemului imunitar cu rol citotoxic la nivelul celulelor tumorale. Pertuzumab este un alt anticorp monoclonal aprobat de FDA pentru utilizarea în asociere cu trastuzumab și docetaxel la pacienții cu cancer de sân metastatic.

Bevacizumab este un anticorp monoclonal umanizat IgG1 și este primul anticorp monoclonal cu acțiune țintită împotriva angiogenezei tumorale aprobat de FDA, în 2004.  Mecanismul de acțiune constă în blocarea legării izoformelor VEGF-A (vascular endothelial growth factor) de receptorii specifici, VEGFR-1 și VEGFR-2. Bevacizumabul este aprobat pentru tratamentul cancerului colorectal, în asociere cu alte antitumorale, pulmonar de tip NSCLC (non-small cells lung cancer), renal și în diferite forme de glioblastom. A fost aprobat provizoriu pentru tratamentul cancerului mamar. 
 

Tabelul 1. Anticorpi monoclonali utilizați în terapia antitumorală sau aflați în studii clinice
Tabelul 1. Anticorpi monoclonali utilizați în terapia antitumorală sau aflați în studii clinice

În tabelul 1 sunt prezentate și alte exemple de anticorpi monoclonali utilizați în terapie sau aflați în studii clinice.

Mecanismul molecular de rezistență medicamentoasă (MDR – multidrug resistance)

Dezvoltarea tumorilor apare ca urmare a alterărilor genetice și epigenetice, dar aceste schimbări conduc și la transformarea celulelor tumorale chimiosensibile în celule chimiorezistente. Când o țintă esențială este inactivată terapeutic, mecanismele rezistenței multimedicamentoase (MDR – multidrug resistance) evoluează și astfel apare varianta rezistentă a proteinei vizate sau funcția acesteia este alterată prin up-reglarea altor căi, similar rezistenței observate în cazul bacteriilor expuse la agenți antimicrobieni. Eșecul terapiei din cauza rezistenței conduce la metastazare. Evenimentele care duc la metastazare includ mai multe mutații la nivelul genelor de interes, căi de semnalizare specifice și un mediu favorabil. Un grup de gene, denumite gene supresoare ale metastazei (MSGs), influențează potențialul metastatic al cancerului. 

Chimioterapia în cancerul colorectal metastatic este în general bazată pe antimetabolitul 5-fluorouracil asociat cu agentul de legare a ADN-ului, Oxaliplatin, sau cu inhibitorul de topoizomerază I, Irinotecan. Rezistența la medicamente limitează eficacitatea clinică a acestor terapii. În ciuda eficacității acestor scheme, care au crescut considerabil rata de răspuns și de supraviețuire la pacienții cu cancer colorectal metastatic, numai 30-50% dintre pacienți au arătat un răspuns obiectiv la terapia combinată, progresia cancerului fiind înregistrată în mod repetat. Prin urmare, rezistența la chimioterapie este o problemă clinică majoră în tratamentul cancerului colorectal metastatic.

Liniile celulare chimiorezistente au profiluri distincte pentru irinotecan și oxaliplatin. Se pot identifica gene asociate rezistenței la medicamente pentru fiecare linie celulară, fiecare dobândind o serie unică de modificări care pot reprezenta subtipuri funcționale distincte ale rezistenței la chimioterapie. În acest sens, este de remarcat faptul că există o lipsă parțială, dar semnificativă clinic, a rezistenței încrucișate la schemele de tratament cu oxaliplatin și irinotecan, ceea ce înseamnă că pacienții la care apare progresia cancerului în urma tratamentului cu irinotecan pot primi o schemă de tratament bazată pe oxaliplatin, și invers. Aceste observații indică faptul că schemele de tratament nu sunt echivalente, ci mai degrabă eficacitatea lor diferă pentru fiecare pacient individual. În consecință, se previzionează că biomarkerii care pot identifica pacienții care vor răspunde (sau nu) la tratamentul cu oxaliplatin sau irinotecan vor avea un impact substanțial asupra managementului clinic al cancerului colorectal.
 

Tabelul 2. Mecanismele rezistenței dobândite la blocarea receptorilor specifici
Tabelul 2. Mecanismele rezistenței dobândite la blocarea receptorilor specifici

Rezistența medicamentoasă poate fi preexistentă (rezistență intrinsecă) sau indusă de expunerea la medicamente (rezistență dobândită). Pentru a optimiza schemele de terapie existente, dar și pentru dezvoltarea de noi terapii, este necesară înțelegerea mecanismelor de rezistență la chimioterapie.

Oxaliplatinul acționează prin formarea de aducți cu ADN-ul, cauzând leziuni la nivelul ADN-ului, și astfel interferează cu procesele replicative. Mecanismul de rezistență în cazul oxaliplatinului și altor compuși derivați ai platinei include modificarea procesului de reparare a ADN-ului și scăderea concentrației endogene de molecule antioxidante cu rol în detoxificare, cum sunt glutationul și metaloproteinele.

În cazul irinotecanului, mecanismele de rezistență implică creșterea glucuronizării metabolitului SN-38 (inactivarea) mediată de UDP-glucuroniltransferaze (UGT1A), repararea deteriorării ADN-ului indusă de SN-38, dar și creșterea efluxului de medicamente din celulă, mediată de transportorii dependenți de ATP (adenozintrifosfat): ABCB1, -C1, -C2, -C4 și -G2.

Pe de altă parte, eterogenitatea cancerului colorectal ar putea contribui la multiple mecanisme ale rezistenței. Mecanismele rezistenței dobândite la blocarea receptorilor factorului de creștere epidermal (EGFR) care au fost confirmate clinic variază de la alterări genetice la nivelul EGFR, RAS (rat sarcoma viral oncogene homolog) și MEK (mitogen-activated protein kinase) la amplificarea receptorilor tirozinkinazici. Descifrarea mecanismelor de rezistență multimedicamentoasă ar putea contribui la eficientizarea strategiilor terapeutice pentru tratamentul afecțiunilor neoplazice, dar și pentru atenuarea efectelor secundare ale medicamentelor.

În ultimii ani au fost realizate progrese semnificative în privința diagnosticului și tratamentului cancerului. Cu toate acestea, cancerul rămâne o problemă de sănătate publică la nivel mondial, din cauza prevalenței aflate în creștere.

Bibliografie

  1. Amanda Drury, Sheila Payne, Anne Marie Brady, Cancer survivorship: Advancing the concept in the context of colorectal cancer, European Journal of Oncology Nursing, Volume 29, August 2017, Pages 135-147.
  2. Angelo Di Leo, Giuseppe Curigliano, Véronique Diéras, Luca Malorni, Christos Sotiriou, Charles Swanton, Alastair Thompson, Andrew Tutt, Martine Piccart, New approaches for improving outcomes in breast cancer in Europe, The Breast, Volume 24, Issue 4, 2015, Pages 321-330.
  3. Antonia K. Roseweir, Donald C. McMillan, Paul G. Horgan, Joanne Edwards, Colorectal cancer subtypes: Translation to routine clinical pathology, Cancer Treatment Reviews, Volume 57, June 2017, Pages 1-7.
  4. Arsene Andreea Letiţia, Valentina Uivarosi, Niculina Mitrea, Cristina Manuela Drăgoi (corresponding author), Alina Crenguţa Nicolae. In vitro studies regarding the interactions of some novel ruthenium (III) complexes with double stranded calf thymus deoxyribonucleic acid (DNA), FARMACIA, 2016, Vol 64 (5), 712-716, ISSN 0014-8237, IF 1,162/2015.
  5. Arsene Andreea, Drăgoi Cristina Manuela, Nicolae Alina Crenguța, Popa Daniela Elena, Burcea Dragomiroiu George Traian Alexandru, Dumitrescu Ion-Bogdan, Udeanu Denisa Ioana. The challenging triade: microbiota, immune system and anti-cancer drugs, „Anti-Cancer Drugs“ Book edited by Jasna Bankovic, InTech – Rijeka, Croatia, 2016, ISBN 978-953-51-4959-0.
  6. Carlos Nunez, Adrian Bauman, Sam Egger, Freddy Sitas, Visalini Nair Shalliker, Obesity, physical activity and cancer risks: Results from the Cancer, Lifestyle and Evaluation of Risk Study (CLEAR), Cancer Epidemiology, Volume 47, 2017, Pages 56-63.
  7. Daneng Li, Nienke A. de Glas, Arti Hurria, Cancer and Aging, Clinics in Geriatric Medicine, Volume 32, Issue 1, 2016, Pages 1-15.
  8. Daniela Furrer, Julie Lemieux, Marc-André Côté, Louise Provencher, Christian Laflamme, Frédéric Barabé, Simon Jacob, Annick Michaud, Caroline Diorio, Evaluation of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in normal and breast tumor tissues and their link with breast cancer prognostic factors, The Breast, Volume 30, 2016, Pages 191-196.
  9. Deep Shah, Clodia Osipo, Cancer stem cells and HER2 positive breast cancer: The story so far, Genes & Diseases, Volume 3, Issue 2, June 2016, Pages 114-123.
  10. Kateryna Shostak, Alain Chariot, EGFR and NF-κB: partners in cancer, Trends in Molecular Medicine, Volume 21, Issue 6, 2015, Pages 385-393.
  11. Kiven Erique Lukong, Understanding breast cancer – The long and winding road, BBA Clinical, Volume 7, June 2017, Pages 64-77.
  12. M.J. Duffy, N. Harbeck, M. Nap, R. Molina, A. Nicolini, E. Senkus, F. Cardoso, Clinical use of biomarkers in breast cancer: Updated guidelines from the European Group on Tumor Markers (EGTM), European Journal of Cancer, Volume 75, April 2017, Pages 284-298.
  13. Mehmet Tevfik Dorak, Chapter 28 – Cancer: Gender Differences at the Molecular Level, In Principles of Gender-Specific Medicine (Third Edition), edited by Marianne J. Legato,, Academic Press, San Diego, 2017, Pages 401-416.
  14. Miller, K. D., Siegel, R. L., Lin, C. C., Mariotto, A. B., Kramer, J. L., Rowland, J. H., Stein, K. D., Alteri, R. and Jemal, A. (2016), Cancer treatment and survivorship statistics, 2016. CA: A Cancer Journal for Clinicians, 66: 271–289.
  15. Mitrea Niculina, Arsene Andreea, Drăgoi Cristina, Nicolae Alina. Actualitati privind anticorpii monoclonali“, Farmacist.ro nr. 132 (1), 2010.
  16. Nicolae Alina Crenguța, Andreea Letiția Arsene, Vlad Vuță, Daniela Elena Popa, Carmen Adella Sîrbu, George Traian Alexandru Burcea Dragomiroiu, Ion-Bogdan Dumitrescu, Bruno Ștefan Velescu, Eliza Gofiță, Cristina Manuela Drăgoi. In vitro P-gp expression after administration of CNS active drugs, FARMACIA, 2016, Vol 64 (6), 844-850, ISSN 0014-8237, IF 1,162/2015.
  17. Niels F. Jensen, Jan Stenvang, Mette K. Beck, Barbora Hanáková, Kirstine C. Belling, Khoa N. Do, Birgitte Viuff, Sune B. Nygård, Ramneek Gupta, Mads H. Rasmussen, Line S. Tarpgaard, Tine P. Hansen, Eva Budinská, Per Pfeiffer, Fred Bosman, Sabine Tejpar, Arnaud Roth, Mauro Delorenzi, Claus L.Andersen,Maria U. Rømer, Nils Brünner, José M.A. Moreira, Establishment and characterization of models of chemotherapy resistance in colorectal cancer: Towards a predictive signature of chemoresistance, Molecular Oncology, Volume 9, Issue 6, 2015, Pages 1169-1185.
  18. Nuria Rodriguez Salas, Gema Dominguez, Rodrigo Barderas, Marta Mendiola, Xabier García Albéniz, Juan Maurel, Jaime Feliu Batlle, Clinical relevance of colorectal cancer molecular subtypes, Critical Reviews in Oncology/Hematology, Volume 109, January 2017, Pages 9-19.
  19. Run Huang, Xiangyun Zong, Aberrant cancer metabolism in epithelial–mesenchymal transition and cancer metastasis: Mechanisms in cancer progression, Critical Reviews in Oncology/Hematology, Volume 115, July 2017, Pages 13-22, ISSN 1040-8428.
  20. Xiu Lv, Jincheng Li, Chuhong Zhang, Tian Hu, Sai Li, Sha He, Hanxing Yan, Yixi Tan, Mingsheng Lei, Meiling Wen, Jianhong Zuo, The role of hypoxia-inducible factors in tumor angiogenesis and cell metabolism, Genes & Diseases, Volume 4, Issue 1, March 2017, Pages 19-24, ISSN 2352-3042.
  21. Zhexuan Lin, Quanwei Zhang, Wenhong Luo, Angiogenesis inhibitors as therapeutic agents in cancer: Challenges and future directions, European Journal of Pharmacology, Volume 793, 2016, Pages 76-81, ISSN 0014-2999.