トポイソメラーゼ阻害薬
TopIIはホモ二量体を形成し、二本鎖DNAを切断してDNA鎖を巻き戻し、再ライゲーションすることで機能する。TopIIは細胞増殖に必要であり、がん細胞に豊富に存在するため、TopII阻害剤は効果的な抗がん治療薬となる。さらに、キノロン、フルオロキノロン、クマリンなど一部の阻害剤は細菌のTopII(トポイソメラーゼIV(英語版)やDNAジャイレース)にのみ特異的に作用するため、効果的な抗菌薬となる。その用途に関わらず、TopII阻害薬はcatalytic inhibitor(触媒阻害型)またはpoison(トポ毒型)のいずれかに分類される。触媒阻害型はTopIIのN末端のATPアーゼドメインに結合し、切断されたDNA鎖がTopII二量体から放出される過程を阻害する。こうした阻害剤の作用機序は多様である。一例として、ICRF-187は真核生物のTopIIのN末端のATPアーゼドメインに非競合的に結合するのに対し、クマリンはジャイレースのBサブユニットのATPアーゼドメインに競合的に結合する。一方、トポ毒型は共有結合型TopII-DNA切断複合体形成の促進、または切断鎖の再ライゲーションの阻害によって、致死的なDNA鎖切断を生み出す。ドキソルビシンなど一部のトポ毒は、TopII-DNA中間体に隣接する塩基対の間にインターカレーションすることが提唱されている。エトポシドなど他の薬剤は、TopIIの特定の残基と相互作用し、TopII-DNA中間体と安定な三者複合体を形成する。
抗菌薬として機能するTopII阻害薬の主要なグループとして、アミノクマリン(英語版)とキノロンがある。
医療で最も広く利用されているインターカレーション型トポ毒の1つであるアントラサイクリンファミリーは、多様な誘導体によってさまざまながんの治療に利用することができ、また他の化学療法薬と併用して処方されることが多い。
最初のアントラサイクリン系阻害剤は、1960年代にStreptomyces peucetius(英語版)から単離された。アントラサイクリンは4つの環構造のコアから構成され、中央の2つはキノンとヒドロキノンである。ヒドロキノンに隣接する環には2つの置換基、ダウノサミン(英語版)とさまざまな側鎖を持つカルボニルが結合している。現在、主に4種類のアントラサイクリンが医学的用途で用いられている。
ドキソルビシン
ダウノルビシン(ドキソルビシン前駆体)
エピルビシン(ドキソルビシン立体異性体)
イダルビシン(ダウノルビシン誘導体)
イダルビシンはダウノルビシンやドキソルビシンよりも極性基が少ないため脂溶性が高く、細胞膜をより容易に透過する。ドキソルビシンはイダルビシンにはないヒドロキシル基とメトキシ基を有し、リン脂質膜の表面で水素結合による自己凝集体を形成し、細胞移行能がさらに低下している。
“Topoisomerase I levels in the NCI-60 cancer cell line panel determined by validated ELISA and microarray analysis and correlation with indenoisoquinoline sensitivity”. Mol. Cancer Ther. 8 (7): 1878–84. (Jul 2009). doi:10.1158/1535-7163.mct-09-0016. PMC 2728499. PMID 19584232. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2728499/.
“The indenoisoquinoline noncamptothecin topoisomerase I inhibitors: update and perspectives”. Mol. Cancer Ther. 8 (5): 1008–14. (May 2009). doi:10.1158/1535-7163.mct-08-0706. PMC 2888777. PMID 19383846. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2888777/.
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エピポドフィロトキシンやアントラサイクリンに対する腫瘍細胞抵抗性にはTopII活性の変化や薬剤蓄積の低下が影響を及ぼしていることが報告されており、TopIIの活性レベルが薬剤感受性の重要な決定因子となることが提唱されている。また、HL-60細胞をカルシウムキレート剤(BAPTAアセトキシメチルエステル)処理した際のTopIIの高リン酸化によって、エトポシドによるTopII-DNA切断複合体形成が1/2以下に低下することが示されている。このことから、HL-60細胞のエトポシド抵抗性にTopIIの高リン酸化が関係している可能性が示唆されている。また、エトポシド、アムサクリン(英語版)(mAMSA)抵抗性細胞株ではTopIIαのmRNAに変異や欠失が生じていることが示されている。これらの細胞では、TopIIα活性は低下し、多剤耐性関連タンパク質(MRP)の発現と濃度が上昇している。その結果、エトポシドやその他のTopIIトポ毒の細胞内標的が減少する。さらに、抵抗性細胞のTopIIαのリン酸化レベルは親細胞と比較して高い。他の研究データも同様の傾向を示しており、エトポシド耐性細胞ではTopIIが高リン酸化状態となっており、またTopIIαにS861F変異が生じていることが報告されている。