Несмотря на значительные успехи в лекарственном лечении различных онкологических заболеваний, существует проблема резистентности к препаратам и неселективности их действия по отношению к мишеням. В связи с этим продолжаются поиск и разработка таргетных высокоэффективных противоопухолевых средств.
Бензимидазол рассматривается как важный фармакофор, поскольку демонстрирует значительный противоопухолевый потенциал с универсальными механизмами ингибирования роста и развития опухолевых клеток. Кроме того, создание дериватов бензимидазола не требует сложных синтетических стратегий, а возможность легкого замещения бензамидазольного ядра позволяет создать высокоселективные противоопухолевые средства.
Бензимидазолы являются структурными изостерами нуклеиновых оснований из-за сплавленных ядер азота, они легко взаимодействуют с биомолекулярными мишенями и проявляют множество биологических активностей, в том числе и противоопухолевую [1], противовоспалительную [2]. Например, бендамустин относится к алкилирующим агентам, классу химиотерапевтических средств и используется при лечении хронических лимфом [3]. Довотининб – активное бензимидазолхинолиноновое соединение с потенциальной противоопухолевой активностью, прочно связывается с рецептором фактора роста фибробластов 3 (FGFR3) и ингибирует его фосфорилирование, индуцируя гибель опухолевых клеток [4].
Цель исследования
B связи с вышесказанным целью статьи явился обзор исследований, посвященных изучению механизмов противоопухолевого действия различных синтетических производных бензимидазола.
Материал и методы исследования
ДНК является основной мишенью для воздействия различных противоопухолевых препаратов и классифицируется как неспецифическая мишень. Нацеленный на ДНК противоопухолевый препарат может опосредовать свое действие через взаимодействие с белками, которые связываются с ДНК и модулируют транскрипцию, через гибридизацию РНК с ДНК с образованием тройной спирали, препятствующей транскрипционной активности, а также путем связывания низших ароматических лигандов с молекулой ДНК посредством нековалентных взаимодействий, таких как интеркаляция ДНК и связывание малой бороздки [5, 6].
Среди синтезированных производных бензимидазола показана активность в отношении ДНК. Так, индуцировал гидролитическое расщепление ДНК и усиливал активную фрагментацию ДНК в опухолевых клетках линий молочной железы MDA-MB-231 и колоректальной аденокарциномы Caco-2 комплекс никеля (II) с 2-[2-[2-(1H-бензимидазол-2-ил) этилсульфанил]этил]-1Н-бензимидазолом [7]. Для другого производного бензимидазола продемонстрирована способность ингибировать клеточный цикл в фазе G2 / M и межцепочечное сшивание ДНК в клетках лимфобластного лейкоза и различных солидных опухолевых клетках человека [8, 9].
Другой важной мишенью для противоопухолевых агентов является основной белок деления клеток – тубулин. Некоторые из противоопухолевых препаратов влияют на динамику формирования микротрубочек – вызывают полимеризацию либо деполимеризацию и таким способом изменяют клеточную репликацию. Y. Zhang и иные синтезировали ряд производных 1,2-диарилбензимидазола и показали значительную цитотоксичность в отношении опухолевых клеток человека A549 (рак легкого), HepG2 (гепатоцеллюлярная карцинома), HeLa (рак шейки матки) и MCF-7 (аденокарцинома молочной железы) за счет высокой степени связывания с тубулином и, как следствие, значительного ингибирования полимеризации микротрубочек [10]. Подобную селективность к белку тубулину, основанную на сильных электронных взаимодействиях с ним, показали новые соединения на основе 2-арилбензимидазола. Значительное ингибирование полимеризации тубулина выявили при оценке цитотоксического действия против MDA-MB-231, HeLa и рака толстой кишки CT-26 [11]. Производные бензимидазолов, содержащих бензсульфамидпиразольное кольцо, продемонстрировали себя в качестве потенциальных ингибиторов полимеризации тубулина в отношении А549 [12]. Антипролиферативное действие относительно клеточной линии рака легкого А549 путем ингибирования сборки микротрубочек было выявлено для производного имидазо [2,1-b] тиазол-бензимидазола [13].
Противоопухолевая эффективность производных бензимидазола может быть обусловлена направленным влиянием на различные киназы, причастные к клеточному метаболизму, такие как циклинзависимые киназы (CDK), AMP-активируемая протеинкиназа (AMPK) и киназы контрольной точки клеточного цикла, или чекпоинт-киназы (CHK).
Известно, что гиперэкспрессия и аберрантная экспрессия циклинзависимых киназ отвечают за инициацию и прогрессирования рака. В исследовании Zhu et al. [14] синтезировали серию биотинзамещенных B-нор-холестерилбензимидазольных соединений и оценили их антипролиферативную активность против различных клеточных линий человека, таких как HeLa, SKOV3 (рак яичника), Т-47D (рак молочной железы), MCF-7 и НЕК293Т 9 (клеточная линия эмбриональных почек). Было показано, что эти соединения стимулировали апоптоз в клетках SKOV3 путем ингибирования роста клеток в S-фазе, а вестерн-блот выявил, что индукция апоптоза происходит за счет увеличения экспрессии ингибитора CDK белка p21. I.F. Nassar et al. [15] синтезировали производные из 2-[(4-тиазолилметил)тио]-1Н-бензимидазола. Эти синтезированные соединения имели более высокую противоопухолевую активность в отношении клеточных линий MCF-7, чем химиотерапевтический препарат доксорубицин, за счет активного ингибирования фермента CDK-2.
Ингибирование роста опухолевых клеток с помощью AMPK наблюдается при различных гематологических злокачественных новообразованиях [16]. AMPK снижает потребление энергии в опухолевых клетках и, следовательно, ингибирует опухолевый рост и размножение. Кроме того, сообщается, что AMPK ингибирует mTOR, путь cdk и активирует p53, а также вызывает аутофагию. Тетрациклические производные 1Н-бензимидазола показали значительную противоопухолевую активность в отношении линий опухолевых клеток человека T47D, NCl H-522 (рак легкого), HCT-15 (рак толстой кишки), PA-1 (рак яичников) и Hep G2 за счет активации AMPK [17]. S.A. Galal et al. в 2017 г. синтезировали ингибитор фермента CHK-2 на основе 1H-бензимидазола и показали противоопухолевую активность в отношении клеток MCF-7 [18].
Различные производные бензимидазола были рассмотрены как противоопухолевые агенты с ДНК-топоизомеразами в качестве мишени. Была продемонстрирована более выраженная цитотоксическая активность производных 1Н-бензимидазола по сравнению с подофиллотоксином против клеточной линии HCT-116 (рак толстой кишки) за счет ингибирования фермента топоизомеразы I-β [19]. Ингибирующую активность в отношении топоизомеразы I проявлял и комплекс соединения рутения (III) с 2-аминометилбензимидазолом, что отразилось на цитотоксичности опухолевых клеточных линий человека MCF-7 и HCT-116 [18]. Подобная активность была продемонстрирована для производных 1H-бензимидазол-оксадиазола на клеточных линиях опухолей человека HeLa, MCF-7, A549, HepG2 и C6 (глиома) [20, 21].
Поли-АДФ-рибоза полимераза (PARP) является одним из широко изученных ферментов, играющих решающую роль в механизме репарации ДНК, и ее повышенная экспрессия способствует выживанию малигнизированных клеток, а ингибирование данного фермента рассматривается как терапевтический подход к лечению различных типов рака [22, 23, 24]. Производное бензимидазола (пиперазин-1-карбонил)фенил)-1H-бензо[d]имидазол-4-карбоксамид проявлял цитотоксическое действие в отношении опухолевых клеток линий рака молочной железы MDA-MB-231, MDA-MB-436, MDA-MB-468 посредством ингибирования активности поли[АДФ-рибозо]полимеразы 1 (PARP-1) оказывая [25].
Один из фармакологических подходов в терапии рака заключается в активации апоптоза, для чего необходимо индуцировать различные проапоптотические или ингибировать антиапоптотические гены и белки. С этой целью оценивали цитотоксические эффекты производных 1Н-бензимидазола и обнаружили, что синтезированные соединения приводили к остановке клеточного цикла в фазе G2/M посредством модулирования пути р53 относительно культуры опухолевых клеточных линий MCF-7 (IC50 = 17,8 ± 0,24 мкг/мл), рака предстательной железы DU145 (IC50 = 10,2 ± 1,4 мкг/мл) и мелкоклеточного рака легкого H69AR (IC50 = 49,9). ± 0,22 мкг/мл), что сопровождалось повышением процента апоптотических клеток дозозависимым образом [26].
Поскольку каспаза-3 в нормальных клетках регулирует баланс между выживаемостью клеток и апоптозом, а при канцерогенезе ее ингибирование ведет к непрерывной пролиферации клеток, то индукторы каспазы-3 могут быть использованы в качестве противоопухолевых агентов, и они были разработаны на основе бензимидазолов. Так, комплексы бензимидазола с золотом оказывали угнетающее влияние на образование каспазы-3 в клетках нейробластомы человека SH-SYSY [27]. Цитотоксическую активность в клеточных опухолевых линиях A2780 (рак яичника), A2780cisR (цисплатинрезистентный рак яичника), A427 (рак легкого), LCLC (рак легкого), 5637 (рак мочевого пузыря), SISO (рак шейки матки) и HT29 (колоректальный рак) путем индукции апоптоза за счет потенцирования активности каспазы-3 проявляли бензимидазольные комплексы рутения (II) и иридия (III) [28].
В качестве индукторов апоптоза показали себя в исследованиях in vitro на опухолевых клеточных линиях производное хризина 1H-бензимидазола против клеточных линий MFC (рак желудка) [29], комплексы меди (II) на основе 1H-бензимидазола, проявившие проапоптотические потенциалы против HeLa, MCF-7, A549 [30], и конъюгаты фенантрен 9-бензимидазола в отношении линий раковых клеток предстательной железы PC-3 [31].
Индукция окислительного стресса в опухолевом микроокружении приводит к гибели опухоли и ингибирует прогрессирование клеточного цикла и пролиферацию [32, 33]. Поддержание оптимального уровня фермента окислительного стресса глутатион-S-трансферазы (GST) предотвращает повреждение ДНК и активацию онкогенных сигнальных путей, а в случае сверэкспрессии может приводить к прогрессированию опухоли [34]. Были синтезированы потенциальные ингибиторы GST на основе 1H-бензимидазола, они показали противоопухолевую активность в отношении клеточных линий рака толстой кишки и молочной железы [35, 36]
Другой мишенью для поиска противоопухолевых агентов выступает фермент окислительного стресса тиоредоксин-редуктаза, сверхэкспрессируемый в большинстве видов опухолей [37]. Замещенные бензил- и метил-конъюгаты бензимидазола явились мощными ингибиторами тиоредоксин-редуктазы и показали значительный цитотоксический эффект в отношении опухолевых клеточных культур в HCT116 (колоректальный рак), SiHa (рак шейки матки) и NCI-H460 (рак молочной железы) [38].
Тромбоцитарный фактор роста (PDGF) вызывает пролиферацию и инвазию опухоли при своей сверхэкспрессии, и ингибирование PGDF является важной мишенью при лечении различных злокачественных новообразований [39]. В качестве ингибитора PGDF (5-(1H-бенз[d]имидазол-2-ил)-N-(1-циклогексилэтил)-2,4-диметил-1H-пиррол-3-карбоксамид) проявлял выраженное противоопухолевое действие против клеточной культуры MDA-MB-435 (ингибирование роста 62,46%) и MDA-MB468 (ингибирование роста 40,24%) [40].
Регуляция белков HER2 рассматривается как потенциальная мишень для лечения рака, поскольку известно, что его гиперэкспрессия приводит к неконтролируемому клеточному росту и делению. (2-[2-(2,4-динитрофенил)гидразинилиден]-2,3-дигидро1H-бензимидазол) проявляет многообещающие противоопухолевые свойства с результатами лучше, чем у обычного ингибитора HER2 — лапатиниба [41]. Ряд производных 6-бензоил-1Н-бензимидазола из 1-(6-бензоил-2-(3,4-диметоксифенил)-1H-бензо[d]имидазол-1-ил)пропан-2-он тестировали на клеточных линиях опухоли HeLa с доксорубицином в качестве препарата сравнения и показали ингибирование рецептора эпидермального фактора роста (EGFR), рецептора васкулоэндотелиального фактора роста 2 (VEGFR2), HER2, PDGFR-b без влияния на нормальные клетки [42]. Было установлено взаимодействие полученных соединений с аминокислотными остатками в сайте связывания киназы HER2.
Белок галектин-1 участвует в организме в реакциях, связанных с прогрессированием рака, и его гиперэкспрессия обнаружена при опухолях головного мозга, молочной железы, остеосаркоме, раке легких, предстательной железы, меланоме и т.д. [43]. Показано, что галектин-1 может опосредовать неопластическую трансформацию, взаимодействуя с онкогенами, такими как H-Ras, и активировать Ras-сигнальный путь, а с участием RAF1 и ERK его ингибирование рассматривается как один из потенциальных терапевтических подходов для лечения рака. Производные 1-бензил-1Н-бензимидазола продемонстрировали свою противоопухолевую активность путем галектин-1-опосредованного апоптоза в отношении MCF-7, HCT-116, MDA-MB-231, А-549 и DU-145 (рака предстательной железы) [44]. Ингибитор галектина-1 производное бензимидазола LLS2 в исследованиях in vitro избирательно ингибировал мембраноспецифические пути H-Ras и K-Ras, приводящие к вовлечению в процесс апоптоза опухолевых клеток, при этом LLS2 проявлял синергический эффект в комбинации с паклитакселом против многих линий раковых клеток человека, таких как рак поджелудочной железы, рак яичников, рак и клетки рака молочной железы [45]. Комбинация паклитаксела с LLS2 эффективно уменьшала также рост ксенотрансплантатов рака яичников у бестимусных мышей in vivo. Та же группа ученых синтезировала еще более мощный ингибитор галектина-1 на основе бензимидазола – LLS3, который замедлял прогрессирование и инвазию рака предстательной железы, устойчивого к кастрации [46]
Карбоангидразы человека (CA) представляют собой α-семейство класса карбоангидраз, а изоформы IX и XII CA сверхэкспрессируются во многих типах рака, что дополнительно способствует прогрессированию опухоли, ангиогенезу, метастазированию и пролиферации различных опухолевых клеток [44]. Для проявления потенциальной цитотоксичности без побочных эффектов противоопухолевое средство должно избирательно ингибировать ассоциированные с опухолью CA IX и XII по сравнению с другими CA, в связи с чем современные исследования направлены на разработку таких таргетных гетероциклов [47].
Тестирование новых сульфаниламидных производных на основе четырех физиологически значимых CA, таких как CA I, CA II, CA IX и CA XII, показало селективное ингибирование в отношении ассоциированных с опухолью изоформ CA IX и CA XII [46, 47].
Заключение
Таким образом, обзор современных исследований показал, что существует большое разнообразие производных бензимидазола для противоопухолевой терапии различных типов рака, имеющих разнообразные механизмы действия. Несмотря на то что бензимдазол является широко используемым фармакофором, все еще недостаточно его высокоселективных производных в отношении опухолей, в связи с чем необходима разработка новых специфически направленных производных бензимидазола, позволяющих преодолеть неселективную токсичность и побочные эффекты для лечения злокачественных новообразований.