Kwas betulinowy w leczeniu nowotworów – płonne czy realne nadzieje?

Szymon Siudak, Katarzyna Żołnierczyk

Zgodnie z najnowszymi doniesieniami, schorzenia onkologiczne stanowią drugą co do częstości przyczynę zgonów, zaraz po chorobach układu sercowo-naczyniowego. Nowotwory należą do grupy chorób o zasięgu globalnym, a każdy z nich charakteryzuje się specyficzną patologią, sposobem leczenia oraz metodami diagnostycznymi. Pomimo znacznej progresji w leczeniu nowotworów, stanowią one nadal ważny problem zdrowotny. Prowadzone badania nad zapobieganiem oraz leczeniem nowotworów są istotne z kilku powodów. Wśród nich można wymienić: znaczną śmiertelność chorych; coraz częstsze notowania takich nowotworów, jak nowotwory: płuc, prostaty, jelita oraz odbytnicy; możliwość nawrotu choroby. Ważny problem stanowi również duża częstość występowania poważnych działań niepożądanych przy stosowaniu obecnie znanych produktów leczniczych. W związku z wymienionymi aspektami, istotną rolę mogą odgrywać alternatywne terapie celowane, wykorzystujące nowe produkty lecznicze oraz ich różne kombinacje ze stosowanymi już lekami. Jednym z potencjalnie korzystnych kierunków poszukiwania skutecznych substancji o właściwościach przeciwnowotworowych są związki pochodzenia roślinnego [1]. W ostatnich latach produkty pochodzenia naturalnego zyskują coraz większą popularność wśród naukowców, a tym samym odgrywają istotną rolę w rozwoju nowych leków. Szczególne zainteresowanie jest skierowane na poszukiwanie substancji, które mogą w przyszłości potencjalnie posłużyć, jako uzupełnienie terapii przeciwnowotworowej [2].
Jedną z najbardziej interesujących klas związków naturalnych stanowią triterpeny. Wśród nich szczególną uwagę przykuwają pochodne typu lupanu, ponieważ właśnie ta grupa obejmuje związki o najciekawszych właściwościach [3]. Charakterystyczna struktura lupanu składa się z pięciu pierścieni, od A do E. Pierścień E, jako jedyny jest pięcioczłonowy, pozostałe zbudowane są z sześciu atomów węgla [13]. Jednym ze związków należącym do tej grupy jest betulina, a przede wszystkim produkt jej utleniania – kwas betulinowy – oraz ich pochodne. Kwas betulinowy (kwas 3β-hydroksy-20(29)-lupen-28-owy) jest pochodną lupanu, a jego popularność w ostatnich latach jest spowodowana interesującymi właściwościami, które wykazuje. Są to między innymi działanie: przeciwnowotworowe, przeciwzapalne, immunomodulacyjne, a także przeciwwirusowe [4,5].
Kwas betulinowy początkowo został wyizolowany z kory brzozy Betula alba L. Związek ten oraz jego prekursor betulina występują jednak w wielu gatunkach roślin np.: Diospyros, Ziziphus, Syzygium, Sarracenia flava, Inga punctate, czy Vauquelinia corymbosa [6]. Pomimo korzystnych właściwości oraz wielu źródeł występowania, okazują się one niewystarczające do pozyskania wystarczającej ilości kwasu betulinowego. Powstała stąd konieczność otrzymywania tego związku metodami syntetycznymi lub półsyntetycznymi. Opracowano wydajne metody syntezy kwasu betulinowego z betuliny, jednak wiąże się to z takimi aspektami, jak: bezpieczeństwo, powstające produkty uboczne oraz wysokie koszty. W ostatnich latach wykorzystano, jednak biotechnologię, w tym między innymi jeden z gatunków drożdży Saccharomyces cerevisiae. Pozwoliło to na przynajmniej częściowe zmniejszenie niedogodności związanych z otrzymywaniem kwasu betulinowego [7].
Udało się zaobserwować skuteczność kwasu betulinowego i jego pochodnych wobec ponad 20 linii komórek nowotworowych [8]. Badania z wykorzystaniem licznych linii komórek nowotworowych (uzyskanych z raków płuc, odbytnicy, piersi, prostaty i szyjki macicy, które charakteryzują się wysoką śmiertelnością) wskazują, że kwas betulinowy wykazuje wysoką selektywność już w mikromolowych stężeniach [11]. Zaproponowanych zostało wiele mechanizmów działania odpowiadających za biologiczną aktywność tego związku. Wyróżnić wśród nich można: indukcję apoptozy, antyangiogenezę, zatrzymanie cyklu komórkowego, inhibicję inwazji i migracji komórek nowotworowych, odwrócenie oporności wielolekowej (MDR) oraz indukcję autofagii. Co więcej, kwas betulinowy stosowany w skojarzeniu z chemioterapeutykami, promieniowaniem jonizującym, czy ligandami receptora śmierci wzmacniał ich przeciwnowotworową skuteczność [8]. Przykład może stanowić połączenie kwasu betulinowego z winkrystyną. Stosowanie powyższych związków wywiera efekt synergistyczny wobec komórek czerniaka, powodując zatrzymanie cyklu komórkowego na różnym etapie (kwas betulinowy w fazie G1, winkrystyna w fazie G2/M) [9]. Już w 1856 roku Rudolf Virchow po raz pierwszy zasugerował, że jednym z czynników bezpośrednio związanych z nowotworzeniem jest stan zapalny. Stąd właściwości przeciwzapalne kwasu betulinowego mogą także leżeć u podstaw jego działanie przeciwnowotworowego. Opisywana pochodna betuliny hamuje ekspresję zależnego od NF-κB genu reporterowego oraz produkcję czynników takich, jak cyklooksygenaza 2 (COX-2), czy MMP9. Są one bezpośrednio związane ze stymulacją stanu zapalnego [10]. Dodatkowo opisywany kwas stymuluje proces apoptozy, czyli programowaną śmierć komórki. Można wyróżnić zewnątrz- lub wewnątrzkomórkowy sposób aktywacji apoptozy, a także zależny lub niezależny od kaspaz [14]. Kwas betulinowy powoduje zwiększenie przepuszczalności błony mitochondrialnej z uwolnieniem czynników takich, jak: cytochrom c, Smac, czy AIF, co skutkuje aktywacją kaspaz i fragmentacją jądra [11]. Co ważne badania przeprowadzone z wykorzystaniem linii komórkowej ludzkiego nerwiaka zarodkowego (SHEP), potwierdziły wpływ kwasu betulinowego na mitochondria bez jednoczesnego wpływu na receptory powierzchniowe na błonie komórkowej. Indukcja apoptozy następuje jedynie w komórkach nowotworowych, bez wpływu na komórki związane z układem limfatycznym [12].
Nowotwory, wobec których kwas betulinowy wykazuje udowodnione działanie to: czerniak, nerwiak zarodkowy, rdzeniak zarodkowy (złośliwy nowotwór inwazyjny móżdżku), glejak wielopostaciowy, nowotwór głowy i szyi, rak jajnika, rak jelita grubego, rak prostaty, nowotwór płuc, rak szyjki macicy, komórki raka piersi (T47D, MCF7), białaczka, rak trzustki, gruczolakorak endometrium [16].
Zarówno kwas betulinowy, jak i jego prekursor – betulina – to triterpeny o udokumentowanych właściwościach cytotoksycznych wobec licznych linii komórkowych. Niestety, oba te związki są bardzo słabo rozpuszczalne w wodzie, przez co ich biodostępność i biodystrybucja są niewystarczające do zastosowania leczniczego. Nowo zsyntetyzowane pochodne betuliny charakteryzują się znacznie lepszą rozpuszczalnością w wodzie przy zachowanej wysokiej aktywności biologicznej [15]. Innym kierunkiem badań jest tworzenie samoorganizujących się nanocząsteczek kwasu betulinowego, które potwierdziły swoją większą skuteczność wobec komórek białaczki, w porównaniu do „standardowych” cząsteczek kwasu [12].
Podsumowując, istnieje wiele dowodów oraz dokładnych badań związanych z mechanizmem działania kwasu betulinowego. Określono także linie komórkowe, które są najbardziej wrażliwe na jego działanie. Wciąż jednak istnieją istotne ograniczenia związane przede wszystkim z budową chemiczną tej cząsteczki, które opóźniają wprowadzenie tej naturalnej substancji, jako nowego chemioterapeutyku. Trwające obecnie badania i liczne syntezy mogą już w niedalekiej przyszłości zmienić istniejący stan rzeczy.

Bibliografia:
1. Seyed MA, Jantan I, Vijayaraghavan K, Abbas Bukhari SN. Betulinic Acid: Recent Advances in Chemical Modifications, Effective Delivery, and Molecular Mechanisms of a Promising Anticancer Therapy. Chem Biol Drug Des. 2015 Nov 4. [Epub ahead of print] Review.
2. Csuk R. Betulinic acid and its derivatives: a patent review (2008 - 2013). Expert Opin Ther Pat. 2014 Aug;24(8):913-23.
3. Chakraborty B, Dutta D, Mukherjee S, Das S, Maiti NC, Das P, Chowdhury C. Synthesis and biological evaluation of a novel betulinic acid derivative as an inducer of apoptosis in human colon carcinoma cells (HT-29). Eur J Med Chem. 2015 Sep 18;102:93-105.
4. Gheorgheosu D, Duicu O, Dehelean C, Soica C, Muntean D. Betulinic acid as a potent and complex antitumor phytochemical: a minireview. Anticancer Agents Med. Chem. 2014;14(7):936-45.
5. Hiramatsu R, Fukuhara S, Mitsuda S, Yokomichi T, Kataoka T. Betulinic acid and oleanolic acid, natural pentacyclic triterpenoids, interfere with N-linked glycan modifications to intercellular adhesion molecule-1, but not its intracellular transport to the cell surface. Eur J Pharmacol. 2015 Nov 15;767:126-34.
6. Alqahtani A, Hamid K, Kam A, Wong KH, Abdelhak Z, Razmovski-Naumovski V, Chan K, Li KM, Groundwater PW, Li GQ. The pentacyclic triterpenoids in herbal medicines and their pharmacological activities in diabetes and diabetic complications. Curr Med Chem. 2013;20(7):908-31.
7. Li J, Zhang Y. Increase of betulinic acid production in Saccharomyces cerevisiae by balancing fatty acids and betulinic acid forming pathways. Appl Microbiol Biotechnol. 2014 Apr;98(7):3081-9.
8. Zhang DM, Xu HG, Wang L, Li YJ, Sun PH, Wu XM, Wang GJ, Chen WM, Ye WC. Betulinic Acid and its Derivatives as Potential Antitumor Agents. Med Res Rev. 2015 Nov;35(6):1127-55.
9. Sawada N, Kataoka K, Kondo K, Arimochi H, Fujino H, Takahashi Y, Miyoshi T, Kuwahara T, Monden Y, Ohnishi Y. Betulinic acid augments the inhibitory effects of vincristine on growth and lung metastasis of B16F10 melanoma cells in mice. Br J Cancer. 2004 Apr 19;90(8):1672-8.
10. Yadav VR, Prasad S, Sung B, Kannappan R, Aggarwal BB. Targeting inflammatory pathways by triterpenoids for prevention and treatment of cancer. Toxins (Basel). 2010 Oct;2(10):2428-66.
11. Khan I, Guru SK, Rath SK, Chinthakindi PK, Singh B, Koul S, Bhushan S, Sangwan PL. A novel triazole derivative of betulinic acid induces extrinsic and intrinsic apoptosis in human leukemia HL-60 cells. Eur J Med Chem. 2015 Nov 19;108:104-116. [Epub ahead of print].
12. Dash SK, Chattopadhyay S, Dash SS, Tripathy S, Das B, Mahapatra SK, Bag BG, Karmakar P, Roy S. Self assembled nano fibers of betulinic acid: A selective inducer for ROS/TNF-alpha pathway mediated leukemic cell death. Bioorg Chem. 2015 Dec;63:85-100.
13. Tang W, Chen NH, Li GQ, Wang GC, Li YL. Crystal structure of betulinic acid methanol monosolvate. Acta Crystallogr Sect E Struct Rep Online. 2014 Nov 8;70(Pt 12):1242-3.
14. Adamiec-Mroczek J, Zając-Pytrus H, Misiuk-Hojło M. Caspase-Dependent Apoptosis of Retinal Ganglion Cells During the Development of Diabetic Retinopathy. Adv Clin Exp Med. 2015 May-Jun;24(3):531-5.
15. Drąg-Zalesińska M, Wysocka T, Borska S, Drąg M, Poręba M, Choromańska A, Kulbacka J, Saczko J. The new esters derivatives of betulin and betulinic acid in epidermoid squamous carcinoma treatment - In vitro studies. Biomed Pharmacother. 2015 May;72:91-7.
16. Seyed MA, Jantan I, Vijayaraghavan K, Abbas Bukhari SN. Betulinic Acid: Recent Advances in Chemical Modifications, Effective Delivery, and Molecular Mechanisms of a Promising Anticancer Therapy. Chem Biol Drug Des. 2015 Nov 4. [Epub ahead of print] Review.