Alkylating antineoplastic drugs

Before the use of alkylating agents in chemotherapy of malignant tumors, many of them were already known as "mustard gas" ( mustard gas and its analogues), which were used as a chemical weapon in the skin-boil type during the First World War . The nitrogenous mustard analogs were historically the first alkylating agents used in medicine and the first examples of modern chemotherapy for malignant tumors. Goodman, Gilman, and their colleagues at Yale University began to study nitrogen analogues of mustard gas in 1942 . And soon after the discovery that the administration of these agents sometimes leads to a significant reduction and even complete disappearance of experimental malignant tumors in laboratory mice , these chemotherapeutic agents were first tested in humans at the end of the same year. The use of “HN2 gas” - methyl bis- (β-chloroethyl) -amine hydrochloride (later known as mechlorethamine , or mustine , mustargen , embihin ) and “HN3 gas” - tris- (β-chloroethyl) -amine hydrochloride for chemotherapeutic treatment of advanced cases of lymphogranulomatosis , lymphoma and lymphosarcoma , leukemia and other malignant tumors, especially hematological in volunteer patients, often led to a rapid decrease or even temporary complete disappearance of the tumor masses. However, then relapses inevitably arose, moreover with resistance to mechlorethamine (“HN2 gas”) and to “HN3 gas”. Due to the high degree of secrecy surrounding these developments, as well as everything related to research in the field of chemical warfare agents , the results of Goodman and Gilman's studies on the antitumor activity of mechlorethamine and “HN3 gas” were not published until 1946 . ^[3] These publications caused an explosion of enthusiasm among oncologists and a sharp increase in interest in the previously non-existent field of chemotherapeutic treatment of human malignant tumors.

In the next 25 years after the publication of Goodman and Gilman on the antitumor activity of mechlorethamine (“HN2 gas”) and “HN3 gas”, dozens of new alkylating chemotherapeutic agents were synthesized that had noticeably less toxicity (in particular, less hematological toxicity, less ability to cause pronounced myelosuppression) and a wider spectrum of antitumor effects. In particular, many of the newly synthesized alkylating agents proved to be applicable not only for hemoblastoses, but also for various solid malignant tumors. Such successful developments include, for example, melphalan and cyclophosphamide , which have retained their significance and are widely used in chemotherapy of malignant neoplasms to this day. ^[four]

A common myth claims that it allegedly occurred to Goodman and Gilman (or was suggested by their superiors from Yale University) to study the potential suitability of nitrogen mustard analogues as possible means for chemotherapy of malignant neoplasms after an incident in Italy in a city in 1943 Bari, where soldiers and civilians who survived the effects of "mustard gas" suffered from severe leukopenia for a long time. However, in fact, experiments on the chemotherapeutic treatment of malignant tumors using nitrogen mustard analogs, first on animals , and then on human volunteers, began a year before the event in Bari, in 1942. Gilman does not mention the Bari episode as having any significance or having any influence on his and Goodman's scientific research on the antitumor activity of nitrogen mustard analogs, although he certainly knew about this episode. ^[5] And the ability of mustard gas to cause pronounced leukopenia, myelosuppression and immunosuppression was known long before the experiments of Goodman and Gilman, since 1919, since the end of the First World War . ^[four]

Some alkylating antitumor agents are initially active under the conditions that are present in the cells and do not require any preliminary intracellular metabolic activation to manifest their effect. At the same time, the same mechanism of action that determines their high toxicity allows them to be used as antitumor agents. These drugs directly attack DNA molecules and inhibit or stop tumor growth, causing the formation of pair double bonds (cross-linking) between guanine nucleotide bases belonging to different chains in a double-stranded DNA molecule. This makes it impossible to “untangle” (deploy, separate) the double-stranded DNA molecule into two separate chains, which is necessary for the process of cell division. Thus, this makes cell division impossible and triggers apoptosis in it. These chemotherapy drugs act nonspecifically and damage both malignant and healthy cells, especially those that normally divide rapidly (hematopoietic cells, immunocompetent cells, skin and appendage epithelial cells, mucous membrane epithelial cells, gonad cells).

Some of the alkylating antineoplastic agents themselves are initially inactive (they are prodrugs ), and for their antitumor effect to manifest, their transformation in the cells into active metabolites is required.

And since in the tumor cells the concentration and activity of the necessary enzymes that metabolize the inactive prodrug in question into its active form, as a rule, is significantly higher than in healthy tissues (as is the case, for example, in the case of alkaline phosphatase in different types of tumors and with acid prostatic phosphatase in prostate cancer ), namely on malignant cells, as well as on activated (recruited into the process of reproduction, differentiation and blast transformation) lymphoid cells, come the main blow of the alkylating cytostatic effect is taking place, with a relatively smaller effect on healthy rapidly dividing cells. This significantly expands the therapeutic range of such an alkylating agent, reduces its systemic toxicity to healthy tissues (in particular, hematotoxicity, i.e., myelosuppressive activity, leading to the development of leukopenia, thrombocytopenia and anemia) and increases the relative antitumor and immunosuppressive activity of such a drug by increasing its selectivity (selectivity) and specificity for tumor and activated lymphoid tissues compared to healthy tissues.

In addition, this significantly expands the spectrum of antitumor effects of such drugs on different types of tumors compared to the spectrum of action of "non-specific" alkylating agents such as mechlorethamine and chlorambucil, which are mainly effective in hemoblastoses, and their use in solid tumors is hindered by their low specificity and excessively high , unacceptable hematologic toxicity in doses that can inhibit the growth of solid tumors.

These are exactly according to the principle of action (that is, they are prodrugs and require intracellular activation, which occurs most rapidly and actively in tumor and activated lymphoid cells) all alkylating preparations from the group of oxazaphosphorin derivatives (the so-called "phosphoramide mustards"): cyclophosphamide , ifosfamide , mafosfamide and etc. This makes this group of alkylating preparations highly effective and relatively low toxic (of course, relative to mechlorethamine, chlorambucil, and other “non-specific” drugs). chemotherapy treatment for a very wide range of malignant neoplastic diseases, and the frequent components of modern combination chemotherapy for different types of solid tumors (for example, the CAF chemotherapy regimen of I line for breast cancer : cyclophosphamide, adriamycin, 5-fluorouracil).

In addition, the ability of cyclophosphamide to exhibit high cytostatic activity in activated lymphoid tissue makes it one of the most powerful and highly potent immunosuppressants . In small doses (compared to those used in chemotherapeutic treatment of malignant neoplasms), cyclophosphamide is very effective in treating systemic lupus erythematosus , pemphigus , autoimmune anemia, glomerulonephritis , Wegener's granulomatosis , multiple sclerosis , and other severe and dangerous autoimmune disease . High doses of cyclophosphamide, however, cause alopecia, pancytopenia (anemia, leukopenia and thrombocytopenia), gastrointestinal mucositis, and hemorrhagic cystitis.

A number of alkylating antineoplastic agents were specially synthesized in such a way that the active alkylating group (in most cases the bis-beta-chloroethylamine group) of the alkylating drug was combined with one or another natural metabolite of the body, the need for which is increased in malignant cells. Thus, for example, melphalan (bis-beta-chloroethylamine derivative of the phenylalanine amino acid ) or uramustine (bis-beta-chloroethylamine derivative of uracil nucleotide ), mannomustine (bis-beta-chloroethylamine derivative of mannitol ) are arranged in this way. This increases the uptake and uptake of the alkylating agent by tumor cells compared to healthy ones (roughly speaking, they take up melphalan instead of phenylalanine, uramustine instead of uracil, mannomustine instead of mannitol). As in the case of alkylating prodrugs that require intracellular activation in order to manifest their alkylating effect, this mechanism significantly increases the concentration gradient of the active substance “tumor / healthy tissue”, increases the specificity and selectivity of the antitumor effect, and expands the spectrum of the action of the alkylating drug on various types of tumors .

Thanks to the above mechanism (active capture of melphalan instead of phenylalanine by active amino acid transport), melphalan as an antitumor cytostatic agent has retained its significance today, while nonspecific alkylating agents, such as chlorambucil , mechlorethamine , are rarely used today ( and less and less), for example mechlorethamine - only for the treatment of lymphogranulomatosis within the framework of the MOPP protocol.

Some alkylating antineoplastic agents were specially synthesized in such a way as to selectively alkylate the DNA of cells expressing certain intracellular hormonal receptors . These, as you know, are the receptors for steroid hormones: estrogens, glucocorticoids, etc. Many hormone-sensitive or hormone-dependent tumors have an increased expression of steroid hormone receptors, which are growth and proliferation factors for them, or, conversely, inhibitory factors.

So, the development of prostate cancer is accelerated by androgens and inhibited by estrogens , and in the tissue of prostate cancer, there is often overexpression of both. The development of malignant tumors of lymphoid tissue (lymphomas, lymphosarcomas, lymphogranulomatosis, acute lymphoid leukemia) is inhibited by glucocorticoids .

Based on this knowledge, alkylating preparations such as estramustine and prednimustine were synthesized and successfully used. Благодаря избирательному связыванию с эстрогенными или глюкокортикоидными рецепторами соответственно, экспрессия которых значительно повышена именно в ткани опухоли, эти алкилирующие препараты очень слабо воздействуют на здоровые быстро делящиеся клетки, почти не вызывают иммуносупрессии и миелосупрессии и имеют высокий градиент отношения «опухоль/здоровая ткань». Эстрамустин применяется для химиотерапевтического лечения рака предстательной железы, преднимустин — для химиотерапевтического лечения лимфом, лимфогранулематоза, лимфолейкозов.

Так называемые диалкилирующие агенты могут одновременно вступать в реакцию с двумя разными 7-N-гуаниновыми нуклеотидными остатками атакуемой ими молекулы ДНК. При этом если атакуемые 7-N-гуаниновые основания находятся в разных цепочках двуспиральной ДНК, результатом является кросс-линкинг (формирование кросс-линка, или сшивки) между двумя цепочками ДНК. Это приводит к невозможности развёртывания молекулы ДНК и разделения спирали на две нити, что необходимо для деления клетки. В результате лишенная способности к делению клетка запускает процесс апоптоза и гибнет.

Если два 7-N-гуаниновых остатка, с которыми реагирует молекула алкилирующего агента, находятся в одной и той же нити ДНК, то результат называется «внутрицепочечным бондингом» ДНК. Внутрицепочечный бондинг нарушает пространственную структуру ДНК и препятствует её правильному функционированию (укладке в хромосомах и пр.).

Бусульфан является классическим примером диалкилирующего агента: это диэфир метансульфоната с 1,4-бутандиолом . Метансульфонат элиминируется в процессе гидролиза. Оба конца молекулы 1,4-бутандиола атакуют разные 7-гуаниновые основания у разных нитей ДНК, что приводит к образованию бутиленового кросслинка между двумя разными основаниями в разных цепочках ДНК.

В то же время моноалкилирующие агенты могут реагировать одной молекулой только с одним 7-N атомом только одного гуанинового остатка.

Ни внутрицепочечный бондинг, ни моноалкилирование, в отличие от диалкилирования с образованием кросс-линка, не способны воспрепятствовать развёртыванию двуспиральной ДНК и разделению нитей. Однако и то, и другое препятствует жизненно необходимым для осуществления процесса деления ферментам получить доступ к ДНК. Конечным результатом этого воздействия является торможение или угнетение опухолевого роста и/или стимулирование апоптоза, механизма программируемой клеточной смерти.

В Анатомо-Терапевтически-Химической Классификации алкилирующие противоопухолевые химиопрепараты классифицируются как L01A.

Классические алкилирующие противоопухолевые препараты

Многие алкилирующие антинеопластические агенты на сегодняшний день известны в качестве так называемых «классических алкилирующих агентов». Эти препараты содержат настоящие алкильные группы и действительно алкилируют ДНК, в прямом смысле этого слова. Эти так называемые «классические» алкилирующие агенты известны более давно и лучше изучены, чем некоторые другие, более новые, неклассические алкилирующие агенты. Примерами «классических» алкилирующих агентов являются такие препараты, как циклофосфамид , мелфалан , хлорамбуцил , и, конечно, родоначальник всей группы классических алкиляторов мехлоретамин . ^[6]

Классические алкилирующие агенты разрушают или уничтожают злокачественные клетки при помощи алкилирования 7'-азота у гуаниновых оснований обеих цепочек двуспиральной молекулы ДНК и препятствования «расплетанию» и репликации ДНК.

Следующие группы алкилирующих соединений почти всегда причисляют к «классическим» алкилирующим соединениям.

• Производные бис-β-хлорэтиламина ^[7]
  • Бис-(2-хлорэтил)этиламин , он же «газ HN1», «вещество HN1», «нитроген мустард HN1» и просто «HN1»;
  • Трис-(2-хлорэтил)амин , он же «газ HN3», «вещество HN3», «нитроген мустард HN3» и просто «HN3»;
  • Хлорметин , он же мехлоретамин или мустин, эмбихин, мустарген, «газ HN2», «вещество HN2», «нитроген мустард HN2», и просто «HN2»;
  • Урамустин или урацил мустард;
  • Мелфалан ;
  • Хлорамбуцил ;
  • Бендамустин ;
  • Проспидин ;
  • Спиробромин ;
  • Манномустин ;
  • Преднимустин ;
  • Эстрамустин ;
  • Новэмбихин ;
  • Пафенцил ;
  • Лофенал ;
  • Циклофосфамид ;
  • Ифосфамид ;
  • Мафосфамид ;
  • Трофосфамид ;
  • Перфосфамид ;
  • Гидроксициклофосфамид ;
  • Алдофосфамид ;
  • Глюфосфамид ;
• Оксазафосфорины :
  • Циклофосфамид ;
  • Ифосфамид ;
  • Мафосфамид ;
  • Трофосфамид ;
  • Перфосфамид ;
  • Гидроксициклофосфамид ;
  • Алдофосфамид ;
  • Глюфосфамид ;
• Производные нитрозомочевины :
  • Кармустин ;
  • Ломустин ;
  • Ранимустин ;
  • Нимустин ;
  • Фотемустин ;
  • Семустин ;
  • Нитрозометилмочевина ;
  • Араноза ;
  • Стрептозоцин ;
• Алкилсульфонаты :
  • Бусульфан ;
  • Треосульфан ;
• Производные этиленимина :
  • Тиотепа ;
  • Фторбензотепа ;
• Производные этилендиамина :
  • Дипин ;
  • Тиодипин

Тиотепа и её аналоги обычно считаются «классическими» алкилирующими агентами, однако могут также причисляться и к «неклассическим».

Химиотерапевтические агенты, действие которых подобно действию алкилирующих агентов, но не имеющие алкильной группы

Препараты платины действуют сходным образом. Эти химиотерапевтические агенты не обладают реакционноспособными алкильными группами, но, тем не менее, повреждают ДНК сходным с алкилирующими агентами образом. ^[8] Они перманентно координационно соединяются с ДНК , что нарушает способность ДНК к самовоспроизведению (репликации). Поэтому препараты на основе платины нередко также причисляют к алкилирующим препаратам или к «алкилоподобным» препаратам.

• Препараты платины ^[7]
  • Цисплатин , исторически первый из клинически применяемых препаратов платины. Цисплатин особенно эффективен в отношении злокачественных опухолей яичка ; после его внедрения в клиническую практику 5-летняя безрецидивная выживаемость при злокачественных опухолях яичка повысилась с 10 % до 85 % ^[9]
  • Липоплатин , улучшённая липосомальная версия цисплатина.
  • Карбоплатин , противоопухолевый препарат на основе платины второго поколения.
  • Оксалиплатин , противоопухолевый препарат на основе платины третьего поколения.
  • Платин ;
  • Циклоплатам ;
  • Сатраплатин ;
  • Пикоплатин ;
  • Недаплатин ;
  • Триплатин .

Препараты платины также связываются с 7-м атомом азота у гуанина .

Неклассические алкилирующие агенты

Некоторые алкилирующие агенты иногда называют «неклассическими». Не существует чёткого и универсального консенсуса относительно того, какие именно алкилирующие агенты следует считать «неклассическими». Однако, в целом, подкатегория «неклассических» алкилирующих агентов обычно включает в себя:

• Прокарбазин ^[10]
• Алтретамин ^[11]
• Некоторые источники в явном виде исключают триазины , триазены и тетразины ( дакарбазин , митозоломид , темозоломид ) из категории «неклассических» алкилирующих агентов. ^[12] Однако другие источники перечисляют дакарбазин среди «неклассических» алкилирующих агентов, ^[13] , а некоторые другие источники в число «неклассических» алкилирующих агентов включают и темозоломид . ^[fourteen]
• Препараты платины также иногда описываются не как «алкилоподобные», а как «неклассические алкилирующие агенты». ^[fifteen]

Алкилирующие антинеопластические агенты имеют определённые ограничения в эффективности. В частности, их эффективность ограничена в связи с наличием и активностью в опухолевых клетках специфического фермента , способного чинить повреждения ДНК, вызываемые алкилированием — O-6-метилгуанин-ДНК метилтрансферазы (МГМТ). Кросс-линкинг двухцепочечной ДНК при помощи алкилирующих агентов ограничивается или исключается благодаря активности этого фермента (МГМТ). Если промотор гена , кодирующего МГМТ, в злокачественной клетке метилирован, то злокачественная клетка больше не может производить МГМТ, и поэтому более чувствительна к алкилирующему цитостатическому воздействию. Метилирование промотера МГМТ при глиомах — хороший предиктор потенциальной эффективности или неэффективности алкилирующих агентов в конкретном случае. ^[16]

• University of Nebraska page on alkylating agent drugs
• MeSH Alkylating + antineoplastic + agents
• Cancer Management Handbook: Principles of Oncologic Pharmacotherapy
• Definition of ALKYLATING DRUG - The Science Dictionary