Frontiers in Pharmacology

Introducere

Utilizarea remediilor naturale este o tradiție străveche încă în practică, cu >60% din populația lumii care abordează diverse probleme de sănătate, inclusiv cancerul, folosind medicina tradițională ca primă alegere (Sultana et al., 2014). Cu toate acestea, tratamentul cancerului este complex, iar posibilitățile actuale pentru pacienți depind de tipul și stadiul cancerului, pe lângă vârsta, sexul și starea generală de sănătate a pacientului. Deși chimioterapia are, de obicei, succes în stadiile incipiente ale cancerului, eficacitatea acesteia depinde de schema de administrare a medicamentelor și de starea fiziologică a pacientului. Cu toate acestea, principala preocupare în ceea ce privește chimioterapia este toxicitatea acesteia, deoarece medicamentele utilizate tind să afecteze atât celulele canceroase, cât și celulele normale, un indice proliferativ ridicat generând daune colaterale la pacienți. Mai mult decât atât, celulele canceroase pot dezvolta rezistență la tratament, prezentând metastaze, diminuând astfel răspunsul la tratament și reducând posibilitatea de supraviețuire fără boală. Prin urmare, una dintre provocările cheie în descoperirea de medicamente este demitizarea toxicității agenților chimioterapeutici și dezvoltarea unor medicamente mai eficiente și mai eficace pentru a îmbunătăți tratamentele, timpul de recuperare și calitatea generală a vieții pacienților.

Produsele naturale au oferit o sursă bogată de structuri chimice pentru dezvoltarea de tratamente anticancerigene. În domeniul farmaceutic oncologic, 49% dintre medicamentele utilizate în chimioterapie sunt derivate sau inspirate din surse naturale, cum ar fi plantele, microorganismele și organismele marine (Newman și Cragg, 2016). Printre exemple se numără alcaloizii de vinca și taxanii (agenți de legare a tubulinei), pe lângă podofilotoxine, antracicline și etoposide (inhibitori ai topoizomerazei) (Da Rocha et al., 2001; Nobili et al., 2009). Aceste exemple ilustrează potențialul produselor naturale în descoperirea medicamentelor.

AAA sunt metaboliți secundari produși de familia Annonaceae (Figura 1). În medicina tradițională, fructele genului Annona sunt utilizate pentru tratarea febrei, a durerii, a reumatismului, a diareei și a artritei, iar frunzele sale pentru diabet, dureri de cap și insomnie (Moghadamtousi et al., 2015a). Annona reticulate a fost utilizată în Africa ca tratament antidisenteric și antihelmintic, iar A. squamosa este folosită în India pentru tratarea diferitelor afecțiuni, inclusiv a tumorilor maligne (Savithramma et al., 2011). În plus, A. muricata este un remediu medicinal popular în America, Africa și India pentru tratamentul cancerului (Moghadamtousi et al., 2015a), în timp ce în Mexic, A. macroprophyllata, A. muricata și A. purpurea sunt utilizate pentru tratamentul tumorilor cutanate și al cancerului gastric (Alonso-Castro et al., 2011; Brindis et al., 2013). Conform unei analize etnofarmacologice a plantelor medicinale din Mexic, genul Annona ar putea fi explorat, de asemenea, pentru tratamentul cancerului de colon (Jacobo-Herrera et al., 2016). Aceste dovezi indică faptul că AA-urile sunt molecule cu un potențial bioactiv semnificativ.

Peste 500 de AA au fost descrise până în prezent; acești compuși se caracterizează printr-un lanț alifatic lung cu un inel α, β-nesaturat de γ-lactonă și 0-3 inele de tetrahidrofuran (THF) (Yuan et al, 2015), și au demonstrat o activitate citotoxică împotriva diferitelor linii celulare de cancer uman (de exemplu, plămân, sân, colon, rinichi, pancreas, prostată, ficat și vezică urinară) (analizat în Zeng et al., 1996; Chávez și Mata, 1998; Wang et al., 2002; Yuan et al., 2003; Mangal et al., 2016; Miao et al., 2016a; Miao et al., 2016b), pe lângă activitatea antitumorală in vivo (Chen et al., 2012a; Chen et al., 2012b). În cele ce urmează, am analizat cele mai recente rapoarte despre AA în domeniul descoperirii de medicamente-oncologie.

Materiale și metode

Am efectuat o căutare în baza de date PubMed folosind următorii termeni de cuvinte cheie: „acetogenins and cancer”, „acetogenins antitumor activity”, „acetogenins cytotoxicity” și „acetogenins mechanism of action”, printre alte combinații. Am analizat articolele publicate în ultimii 15 ani care s-au bazat pe două criterii: plante cu utilizare medicinală și metodologia de fracționare ghidată de bioteste. Datele in vitro raportate aici se bazează exclusiv pe activitatea compușilor puri, în timp ce, pentru studiile in vivo, au fost luate în considerare și extractele din plante, din cauza lipsei de teste pe modele animale.

Rezultate și discuții

Studii in vitro

În domeniul produselor naturale, căutarea moleculelor bioactive tinde să implice o fracționare a extractelor ghidată de bioteste pentru a găsi molecula sau moleculele principale responsabile de activitate. Cu toate acestea, mulți metaboliți secundari pot viza mai multe semne distinctive ale cancerului. În general, industria farmaceutică este interesată de medicamente care prezintă mai mult de o interacțiune moleculară și care cuprind diverse ținte moleculare.

Acetogeninele sunt molecule cu un mare potențial pentru o viitoare terapie împotriva cancerului. Cea mai proeminentă activitate biologică a acestora este inhibarea Complexului I mitocondrial datorită structurii lor bis-THF. Într-adevăr, s-a raportat anterior că AA mono-THF care poartă un lanț alchil care leagă fracțiunea lactonă de grupul THF sunt inhibitori necompetitivi ai Complexului I (adică NADH: ubichinonă oxidoreductaza) din lanțul respirator, ceea ce duce la blocarea oxidării fosforilare și la o scădere ulterioară a producției de ATP (Tormo et al., 1999; Chen et al., 2012). O astfel de inhibiție implică un grup mare de căi care pot induce moartea celulară, inclusiv apoptoza și autofagia, sau pot acționa în alte rețele metabolice ca inhibitori ai enzimei lactat dehidrogenază A, ca antioxidant sau prin oprirea ciclului celular.

Mai mult, A. muricata (Moghadamtousi et al, 2015a) și A. squamosa L. (Chen et al., 2012a; Chen et al., 2012b; Chen et al., 2012c; Chen et al., 2016) au fost raportate ca având activitate citotoxică împotriva mai multor linii celulare canceroase umane sau ale altor mamifere. În special, AA-urile annosquatins A (1) și B (2) prezintă selectivitate față de liniile celulare MCF-7 și, respectiv, A-549 (Chen et al., 2012c). Tabelul 1 prezintă cei mai recent descoperiți AA care prezintă activitate citotoxică, în plus față de alți compuși mai puțin recenți care prezintă activitate antineoplazică in vivo (Tabelul 2).

Apoptoza este o strategie naturală de moarte celulară care ucide celulele inutile sau deteriorate. Principalele gene implicate în acest proces sunt p53 și familia bcl2; prima este un supresor de tumori, în timp ce cea din urmă ar putea fi fie proapoptotică (BAD, BAX și BAK, printre altele), fie antiapoptotică (bcl2 și bcl-x) (Okada și Mak, 2004). Funcția principală a p53 este de a preveni replicarea celulelor cu ADN deteriorat. Prin urmare, p53 este inactiv, iar celulele deteriorate continuă să crească și să reproducă mutații ale ADN-ului, ceea ce duce la apariția unor boli precum cancerul (Igney și Krammer, 2002; Okada și Mak, 2004). Astfel, cercetările efectuate până în prezent pot fi clasificate în două subiecte principale: inducerea apoptozei sau mecanismele de rezistență la apoptoză.

Curentele chimioterapii care induc apoptoza cauzează efecte secundare severe asupra pacienților. Ca atare, căutarea unor medicamente mai puțin toxice este o prioritate și se așteaptă ca produsele naturale să ajute la dezvoltarea de medicamente care modulează apoptoza. În acest context, AA-urile stimulează activitatea caspazei 3 și 8 (efectori ai apoptozei), reducând în același timp expresia survivinei și a Bcl-2, sporind astfel apoptoza. AA annonacin (3) promovează apoptoza în celulele canceroase prin activarea căilor caspazei 3 și Bax (Yuan et al., 2003), în timp ce squamocin induce apoptoza prin exprimarea genelor proapoptotice Bax și Bad, ceea ce duce la scindarea PARP și la creșterea activității caspazei 3 în celulele canceroase T24 din vezica urinară (Yuan et al., 2006). Acest lucru contrastează cu rezultatele anterioare în care squamocina nu a indus apoptoza în celulele canceroase de sân, dar a inhibat proliferarea prin blocarea ciclului celular în faza G1 (Raynaud et al., 1999).

Extractul de metanol de A. reticulata inhibă expresia caspaselor 6 și 9 în celulele canceroase de colon și ficat (Mondal et al., 2007), în timp ce extractele organice și apoase de A. squamosa reglează în sens descendent expresia Bcl-2 în celulele canceroase de sân MCF-7 și în celulele leucemice K-562, ceea ce indică efectul lor ca inductori de apoptoză (Pardhasaradhi et al., 2005). În plus, extractul de frunze de A. muricata induce expresia caspaselor 3 și 9 și inhibă proliferarea celulară prin reducerea fosfo-ERK și fosfo-AKT în celulele MIA PaCa-2 (Yiallouris et al., 2018).

AAA-urile conduc, de asemenea, la oprirea ciclului, ceea ce are implicații pentru proliferarea celulelor tumorale. AA-urile reglează ciclul celular în tranziția G1/S prin inhibarea expresiei ciclinei D1 în celulele de carcinom hepatocelular uman (Qian et al., 2015). În acest context, extractul de A. muricata oprește ciclul celular în faza G1 și scade numărul de celule în faza S într-o manieră dependentă de concentrație prin reducerea expresiei ciclinei D1, o importantă proteină de reglementare a ciclului celular (Torres et al., 2012). Un rezultat similar a fost observat în cazul squamocinei, care oprește celulele în faza G1 în celulele T24 de cancer de vezică urinară (Yuan et al., 2006). În ciuda relevanței ciclului celular, puține studii au abordat modul în care AA afectează acest mecanism.

Glicoliza aerobă, un mecanism utilizat de celulele tumorale pentru a obține energie în absența oxigenului (Figueroa-González et al., 2016; García-Castillo et al., 2017), este, de asemenea, o țintă a AA. Diferite proteine și enzime glicolitice sunt suprareglementate de HIF-1, un important factor de transcripție implicat în glicoliza aerobă tumorală, în celulele canceroase. În mod interesant, extractul de A. muricata a redus expresia HIF-1α și NF-κB și nivelurile transportatorului de glucoză GLUT1 și ale enzimelor HKII și LDHA în celulele canceroase pancreatice (Torres et al., 2012). În plus, extractul de frunze de A. muricata a arătat efecte antiproliferative în liniile celulare canceroase și a promovat moartea celulară prin inhibarea pompelor NKA și SERCA (Yiallouris et al., 2018).

Pe de altă parte, gena MDR1 codifică glicoproteina P a membranei celulare, o proteină transportoare cheie care extrude medicamentele anticancerigene din interiorul celulelor, limitând astfel acumularea lor intracelulară și diminuând toxicitatea acestora (Figueroa-González et al., 2012). Metaboliții secundari, cum ar fi flavonolii, ginsenozidele, polifenolii, alcaloizii și glicozidele de rășină, au prezentat rezultate interesante în ceea ce privește modularea P-gp în liniile celulare canceroase (Phang et al., 1993; Beck et al., 1988; Silva et al., 2001; Jodoin et al., 2002; Zhou et al., 2004; Figueroa-González et al., 2012). Mai mult, AA pot regla în jos expresia genelor MDR1 și MRP1 în carcinomul hepatocelular uman rezistent la medicamente, precum și expresia topoizomerazei IIα și a glutation S-transferazeiΠ (Qian et al., 2015).

Recent, autofagia a generat interes ca mecanism de moarte celulară. Autofagia este un proces catabolic pe care celulele eucariote îl activează atunci când sunt supuse unui stres, cum ar fi foametea celulară sau prezența agenților patogeni (He și Klionsky, 2009). În timpul acestui proces, celula reciclează proteinele sau organitele nefuncționale într-un proces în mai multe etape care implică degradarea lizozomală pentru a recupera în cele din urmă homeostazia celulară (Kenific și Debnath, 2015). Ca atare, dereglarea fluxului de autofagie ar putea duce la apariția cancerului, deoarece reciclarea macromoleculelor, a organitelor nefuncționale și a proteinelor oferă celulelor canceroase cerințe metabolice ridicate pentru proliferarea celulară (Kenific și Debnath, 2015; García-Castillo et al., 2017). În acest scenariu, autofagia a devenit o țintă terapeutică atractivă, iar AA-urile ar putea fi capabile să inhibe acest proces. Liu et al. (2012) au raportat că compusul AA005 (un analog al acetogeninei) a inhibat producția de ATP, a activat AMPK și a blocat calea mTOR Complex 1 pentru a induce în cele din urmă autofagia în celulele cancerului de colon și pentru a opri ciclul celular în faza G1. Acest compus este un imitator al AA-urilor, în care o unitate de eter de etilenglicol înlocuiește cele două inele THF. O astfel de modalitate chimică conferă o activitate biologică superioară, un exemplu de plasticitate a AA-urilor care trebuie luat în considerare ca sursă de inspirație pentru a crea molecule noi și mai puternice, cu ținte farmacologice diferite.

Activitatea antitumorală a acetogeninelor în modele animale

Datele privind activitatea anticancerigenă a AA-urilor și a extractelor de Annona sunt deosebit de promițătoare, deoarece acești compuși au prezentat activitate antitumorală în modele animale. Studiile in vivo oferă informații esențiale despre performanța medicamentului într-un întreg organism și permit evaluarea nu numai a efectului antitumoral al acestora, ci și a toxicității lor în diferite organe. În mod important, animalele sunt subiecți experimentali care permit efectuarea urmăririi clinice, inclusiv evaluarea rezultatelor clinice, a progresiei și supraviețuirii fără boală și a recidivei bolii.

Extractul de acetat de etil din A. squamosa care este bogat în AA 12,15-cis-squamostatin-A (4) și bullatacin (5) a redus creșterea tumorală a tumorilor hepatocelulare la șoareci cu o rată maximă de inhibiție de 69,55% în comparație cu controlul pozitiv (ciclofosfamidă) (Chen et al., 2012b). S-a sugerat că configurația cis din unul dintre componente ar putea fi responsabilă pentru activitatea citotoxică a preparatului din plante. Mai mult, bullatacina (5) izolată din A. squamosa la o doză de 15 μg/kg a redus în mod eficient creșterea tumorală la șoarecii purtători de xenogrefe S180 și HepS cu 65,8 și, respectiv, 63,4 %. Aceste rezultate sunt superioare celor obținute cu ajutorul unor concentrații mai mari de taxol (40 μg/kg). Bullatacina (5) posedă o fracțiune bis-THF adiacentă și trei grupe hidroxi, care probabil constituie structura bioactivă (Chen et al., 2012a).

Uleiul din semințe de A. squamosa a inhibat 53,54% din creșterea tumorală la șoarecii purtători de celule H22 (Chen et al., 2016) și a redus expresia IL-6, Jak și a diferitelor transductoare de semnal fosforilate și activatori ai căii de transcripție p-Stat3. S-a raportat, de asemenea, că fracțiunile γ-lactone α, β-insaturate prezente în AA sunt acceptori de reacție Michael (Ji et al., 2012), care inhibă activarea Stat3, o țintă terapeutică implicată în proliferarea celulară, apoptoza, inflamația și angiogeneza (Cafferkey și Chau, 2016). Extractul de A. muricata a încetinit creșterea tumorală în xenogrefele de pancreas (Yiallouris et al., 2018), reducând metastazele prin diminuarea nivelurilor de metaloproteinază-9 și promovând moartea celulelor canceroase prin necroză (Torres et al., 2012). Într-un xenograft de prostată, extractul de A. muricata îmbogățit cu flavonoide a îmbunătățit biodisponibilitatea și a prezentat o toxicitate mai mică decât extractul îmbogățit cu AA (Yang et al., 2015).

Laherradurina (6) și cherimolina-2 (7) au fost izolate din planta medicinală A. diversifolia și testate in vivo împotriva celulelor de cancer cervical și colorectal (Schlie-Guzmán et al., 2009). Ambii AA au redus dimensiunea tumorilor HeLa cu valori similare cu cele ale doxorubicinei; ambii compuși au prezentat, de asemenea, activitate antiproliferativă in vitro împotriva aceleiași linii celulare canceroase. Aceste rezultate sunt în concordanță cu alte rapoarte, în care s-a raportat că cea mai activă moleculă a fost laherradurina (6), care posedă fracțiuni bis-THF adiacente și o structură β-hidroxi γ-metil γ-lactonă, în timp ce cherimolina-2 (7) care conține o fracțiune bis-THF neadjunctă și o unitate γ-lactonă prezintă o activitate antitumorală redusă. Tabelul 2 prezintă activitățile antitumorale ale diferiților AA în modele animale.

Studii de toxicitate

Experimentele cu animale ar trebui să includă protocoale de toxicitate orală acută pentru a testa substanțele chimice și a observa semnele de toxicitate; acestea minimizează numărul de animale necesare, asigură o administrare corectă a dozelor în cadrul experimentelor și evită suferința (OCDE, 2008). Cu toate acestea, până în prezent, există puține informații cu privire la toxicitatea AA-urilor sau a extractelor de Annona. De exemplu, LD50 pentru extractul de etanol de A. muricata la șoareci a fost de 1,67 g/kg, conform Sousa et al. (2010). Arthur et al. (2011) au raportat LD50 (<5 g/kg) a extractului apos, înregistrând că o doză mai mare ar putea afecta rinichii. De asemenea, s-a observat că extractul de semințe de A. squamosa ar putea provoca leziuni hepatice (Miao et al., 2016b), iar extractul de A. muricata îmbogățit cu flavonoide a prezentat o toxicitate redusă într-un xenogrefă de prostată (Yang et al., 2015). Cherimolin-2 izolat din A. diversifolia a prezentat efecte toxice și moarte în xenogrefele SW480 în doze de peste 5 mg/kg/zi (Schlie-Guzmán et al., 2009).

După cum s-a explicat anterior, AA pot inhiba complexul 1 al lanțului respirator prin intermediul lanțului de transport al electronilor în mitocondrii. AA-urile se alătură și blochează enzima NADH, care este de obicei supraexprimată în celulele canceroase, inhibând producția de ATP, ceea ce duce în cele din urmă la moartea celulelor. Probabil, un astfel de mecanism sugerează că AA-urile sunt „inofensive” pentru celulele normale; totuși, ar trebui efectuate mai multe studii pentru a asigura selectivitatea acestor molecule.

Concluzie

Chemioterapia nu este specifică pentru celulele canceroase; ea provoacă mai multe efecte secundare nedorite, cum ar fi deteriorarea țesuturilor și organelor normale. Cu toate acestea, cel mai important aspect al chimioterapiei convenționale este că, într-un număr semnificativ de cazuri, celulele canceroase dezvoltă mecanisme de rezistență care permit progresia tumorii și metastazarea.

Cercetarea de noi medicamente în natură nu este nouă. Mai mulți derivați de substanțe naturale sunt utilizați în prezent pentru a trata diferite boli. De exemplu, taxolul (paclitaxel) care a fost descoperit prin cunoștințe tradiționale este considerat cel mai profitabil tratament împotriva cancerului de pe piață. Este interesant faptul că paclitaxelul este un medicament antimitotic care inhibă proliferarea celulară în culturile de celule, dar, în tumori, s-a documentat că induce diviziuni multipolare, ceea ce ilustrează modul în care o moleculă poate avea mecanisme de acțiune diferite în funcție de condițiile in vitro sau de cele ale pacientului. Acest alcaloid are o istorie de 30 de ani și ilustrează principalele obstacole în lucrul cu produsele naturale, disponibilitatea lor biologică limitată și costurile de producție, dar și eficacitatea incredibilă care ucide celulele canceroase.

Acetogeninele sunt molecule anticancerigene versatile care provoacă moartea celulelor tumorale prin diferite mecanisme. Ele pot modula excluderea medicamentelor chimioterapeutice din celulele canceroase și sunt puternici inductori de apoptoză. Flexibilitatea lor bioactivă se reflectă în capacitatea lor de a regla ciclul celular prin oprirea celulelor în faza G1, de a promova apoptoza prin inhibarea diferitelor proteine și chiar de a induce autofagia. În plus, se remarcă interacțiunile lor metabolice, legate în mod specific de factorii de transcripție HIF1 și STAT3 și repercusiunile lor în consumul de energie, angiogeneza, inflamația și metastazele. Activitatea antitumorală a AA-urilor in vivo este promițătoare (bullatacin, laherradurin și cherimolin-2 sunt exemple). Cu toate acestea, datele preclinice nu sunt suficiente pentru a obține o bună înțelegere a farmacodinamicii și cineticii AA-urilor și sunt necesare mai multe teste de toxicitate acută și de solubilitate pentru a asigura siguranța și posibilitatea de a efectua studii clinice pe oameni. În plus, încorporarea unor liganzi diferiți (de exemplu, anticorpi, vitamine și peptide) sau prepararea unor derivați specifici tumorilor ar putea îmbunătăți activitatea AA și ar putea produce medicamente mai potrivite.

Extractele de plante sunt complexe din punct de vedere chimic, iar proprietățile lor curative depind adesea de interacțiunile dintre compuși și de proporțiile acestora în cadrul extractului. Mai sunt încă multe de descoperit în ceea ce privește impactul AA-urilor în cancer. Acest domeniu oferă oportunitatea de a găsi noi molecule pentru tratamentul acestei boli complexe. Standardizarea extractelor este, prin urmare, o posibilă alternativă la utilizarea suplimentelor pe bază de plante, în special în cazul plantelor în care activitățile farmacologice se bazează pe combinarea mai multor compuși. Această mini-revizuire enumeră câteva AA studiate anterior care prezintă activitate antitumorală și care ar putea avea un viitor în cercetarea clinică a cancerului.

Contribuții ale autorilor

NJ-H a contribuit la conceperea, scrierea și discutarea articolului; CP-P a contribuit substanțial la discutarea și revizuirea pentru manuscris; VC-T a pregătit toate figurile și tabelele; MM-V și AG-E au contribuit la secțiunea chimică a articolului; AZ-D a contribuit semnificativ la discuția de biologie moleculară a articolului. Toți autorii au discutat, revizuit și aprobat versiunea finală a manuscrisului care urmează să fie publicat.

Finanțare

Această lucrare a fost susținută de Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), Mexic (grant numărul 285884). VC-T a fost finanțat de CONACYT (grantul de doctorat numărul 267787).

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

Recunoștințe

NJ-H mulțumește CONACYT pentru finanțarea proiectului.

.