トポイソメラーゼ阻害薬
ノボビオシン(英語版)やクーママイシン(英語版)などのクマリン類はストレプトマイセス属の生物から得られた天然物であり、細菌のDNAジャイレースを標的とする。機構としては、阻害薬はジャイレースのBサブユニット(gyrB)に結合し、ATPアーゼ活性を阻害する。薬剤によって、DNA超らせんの形成に必要なATPへの親和性が低下した、安定なコンフォメーションが形成される。薬剤は競合的阻害剤として機能すると考えられており、そのためATPは高濃度では薬剤の効果に打ち勝つ。こうした古典的なクマリン類の欠点の1つとしてはgyrBの変異によって抗菌薬耐性が生まれることが挙げられ、その結果、阻害剤の結合と細胞死誘導活性が低下する。
特に、より分子量が小さいキノロンは大腸菌Escherichia coliや黄色ブドウ球菌Staphylococcus aureusの多剤排出ポンプに高い親和性で結合することが示されている。キノロンはTopIIを標的とするが、生物やキノロンの種類によってはTopIVも阻害される。さらに、gyrBの変異によって三次構造の一部喪失が引き起こされ、キノロン系薬剤に対する耐性が生じると考えられている。
キノロン系薬剤の作用機序としては、各DNAジャイレース-DNA複合体に対して4分子のキノロンが互いに疎水的相互作用によって結合し、引き離されたDNAの一本鎖断片の塩基と水素結合を形成するというモデルが1989年にShenらによって提唱された。Shenらの仮説は、キノロンが弛緩した二本鎖DNAと比較して一本鎖DNAに対してより強力かつ部位特異的に結合するという観察に基づいていた。Shenらのモデルの修正版は2000年代後半まで可能性の高い機序であると考えられていたが、X線結晶構造解析に基づいたTopII-DNA-阻害剤複合体の安定な中間体のモデルが2009年に報告されてこの仮説は反証された。この新たなモデルでは、Leoらによって2005年に提唱された仮説と同じく、TopIIによって形成された2か所のDNAニック部位に2分子のキノロンがインターカレーションしていることが示唆された。
キノロンはヒトの細菌感染症に対して最も広く用いられている抗菌薬の1つであり、尿路感染症、皮膚感染症、性感染症、結核や一部の炭疽菌感染などの治療に利用される。キノロンの効力は染色体断片化によるものであると考えられており、活性酸素種の蓄積によってアポトーシスが引き起こされる。キノロン系の薬剤は四世代に分けられる。
第一世代: ナリジクス酸
第二世代: シノキサシン(英語版)、ノルフロキサシン(英語版)、シプロフロキサシン
第三世代: レボフロキサシン、スパルフロキサシン(英語版)
第四世代: モキシフロキサシン
キノロン系の最初の薬剤は、1962年にスターリングドラッグ(英語版)(現・サノフィ)のGeorge Lesherらによって、抗マラリア薬であるクロロキンの製造時に収集された不純物として発見された。この不純物からはナリジクス酸が開発され、1964年に臨床使用が可能となった。その新規構造と作用機序に加え、ナリジクス酸はグラム陰性菌に対して活性があり、経口投与可能であり、合成法が比較的単純であるため、有望であると考えられた。こうした特徴にもかかわらず、その活性のスペクトルは狭く、尿路感染症の治療にのみ用いられた。フッ素が付加されているためフルオロキノロンに分類される新世代の薬剤は、メチルピペラジン(英語版)によってジャイレースへの標的化が改善された。
1940年代、アルバート・シャッツ(英語版)、セルマン・ワクスマン、ボイド・ウッドラフ(英語版)等の研究者によって抗生物質探索手法が大きく改良されたことで、新規抗生物質の探索に多くの労力が払われるようになった。20世紀半ばから末にかけての抗菌薬や抗がん薬の探索でTopI、TopII阻害剤に多数のファミリーが存在することが明らかにされ、1960年代だけでもカンプトテシン、アントラサイクリン、エピポドフィロトキシン(英語版)系の薬剤が発見された。最初のトポイソメラーゼ阻害剤や、その抗がん薬や抗菌薬としての可能性に関する知識が得られたのは、1971年のJim Wangによるトポイソメラーゼの発見(大腸菌のωタンパク質、TopI)よりも先であった。1976年、Gilbertらが細菌のTopII型DNAジャイレースの発見について詳細を記し、クマリンやキノロン系の薬剤による阻害について議論を行ったことで、トポイソメラーゼを標的とした抗菌薬や抗がん薬に対し大きな関心が寄せられるようになった。
フッ素への置換はキノロン環の電子密度を変化させ、TopIIによって切断されたDNAへのインターカレーション時の塩基スタッキングを補助していると考えられている。フルオロキノロンに分類される薬剤として最初に開発されたノルフロキサシン(英語版)は、1978年に杏林製薬の古賀らによって発見された。この薬剤は標準的なキノロンよりもグラム陰性菌に対する効力が高く、一部のグラム陽性菌に対しても効果を示した。一方、血清中濃度や組織への透過性が乏しいことが明らかとなり、抗菌スペクトルがより優れたシプロフロキサシンが開発されたことで取って代わられた。フルオロキノロンは広範囲の微生物に対して効力を有することが示されており、第三・第四世代の薬剤の一部は抗グラム陽性菌活性と抗嫌気性菌活性の双方を有する。
現在、アメリカ食品医薬品局(FDA)は7種類の新世代型フルオロキノロン(モキシフロキサシン、デラフロキサシン(英語版)、シプロフロキサシン、徐放性シプロフロキサシン、ゲミフロキサシン(英語版)、レボフロキサシン、オフロキサシン)に対する最新の安全情報を提供している。これら新世代型フルオロキノロンは、低血糖症や高血圧のほか、不穏(アジテーション)、神経過敏、記憶障害、幻覚などメンタルヘルスへの影響を引き起こす場合があることが知られている。
キノロンは抗菌薬として成功を収めているが、その効果は小変異の蓄積や、薬剤を細胞外へ排出する多剤排出機構による制限を受ける。
TopIIを標的としたトポ毒の他のグループとして、非インターカレーション型のトポ毒がある。このカテゴリの主要な阻害薬はエトポシドとテニポシド(英語版)である。こうした非インターカレーション型トポ毒はDNA上の細菌型TopIIを特異的に標的化し、転写や複製を遮断する。非インターカレーション型トポ毒はTopII-DNA共有結合型複合体の固定に重要な役割を果たしている。エピポドフィロトキシンの半合成誘導体であるエトポシドは、こうしたアポトーシス機構の研究に広く利用されている。
エトポシドとテニポシドはどちらもポドフィロトキシンの半合成誘導体であり、TopII活性を阻害することで機能する重要な抗がん薬である。エトポシドはミヤオソウ属(英語版)のポドフィルムPodophyllum peltatumの抽出物から合成される。ポドフィロトキシンは紡錘体毒(英語版)であり、微小管重合を遮断することで有糸分裂の阻害を引き起こす。それに関連してエトポシドは、DNAやTopIIとの相互作用もしくはフリーラジカルの産生によってDNA鎖の切断を引き起こし、細胞周期の進行を有糸分裂前の段階(S期終盤からG2期)で阻害する。
また、トポイソメラーゼ阻害剤は重要な実験ツールとしても利用され、いくつかのトポイソメラーゼの発見に寄与してきた。一例として、キノロン系のナリジクス酸は細菌のTopIIタンパク質の解明の助けとなった。トポイソメラーゼ阻害剤の由来はさまざまであり、一部は植物(カンプトテシン、エトポシド)や細菌試料(ドキソルビシン、インドロカルバゾール(英語版))から抽出された天然物に由来し、また他のものは純粋に化学合成されたもので、その多くは偶然発見されたものである(キノロン、インデノイソキノリン)。発見後、分子構造の微調整によってより安全で、効力が高く、より容易に投与できるような誘導体の作製が行われている。現在、トポイソメラーゼ阻害薬は医学的用途で利用される抗菌薬や抗がん薬の中で大きな位置を占めており、ドキソルビシン(アントラサイクリン系、TopII阻害薬)、エトポシド(TopII阻害薬)、シプロフロキサシン(フルオロキノロン系、TopII阻害薬)、イリノテカン(カンプトテシン誘導体、TopI阻害薬)は2019年のWHO必須医薬品モデルリストに収載されている。