Acyklowir – przełom sprzed 40 lat

aktywacja, czyli fosforylacja, acyklowiru, będącego lekiem prekursorowym, wyłącznie przez wirusową kinazę tymidynową wirusa opryszczki (HSV) oraz wirusa ospy wietrznej i półpaśca (VZV). Po 40 latach jest to nadal złoty standard w leczeniu zakażeń powodowanych przez te wirusy. Acyklowir zwiastował też nową, drugą generację leków przeciwwirusowych; stał się modelową cząsteczką dla rozwoju analogów nukleozydowych aktywowanych in vivo, tak że stawały się one inhibitorami syntezy materiału genetycznego wirusów, które można było bezpiecznie zastosować ogólnoustrojowo, także doustnie. Poza tym należy uznać, że odkrycie acyklowiru i mechanizmu jego działania nastąpiło w ostatniej chwili przed nadejściem początkowo przerażającej epidemii AIDS, bo pozwoliło mieć nadzieję, że walka z tą chorobą za pomocą skutecznych i specyficznych leków przeciwwirusowych będzie możliwa.

Hitchings

George H. Hitchings – syn budowniczego statków – urodził się w 1905 roku. Ważącym na jego dalszych losach zdarzeniem była śmierć ojca, kiedy miał zaledwie 12 lat. Postanowił wówczas poświęcić się odkryciom naukowym w zakresie medycyny, aby ratować ludziom życie. W 1928 roku uzyskał magisterium w dziedzinie chemii na University of Washington w Seattle, a w 1933 doktorat z biochemii na Uniwersytecie Harvarda za pracę nad metodami analitycznymi w badaniach dwupierścieniowych związków zawierających węgiel i azot – puryn, do których należą adenina i guanina czy metyloksantyny. Po dziesięciu latach krótkotrwałych angaży Hitchings zatrudnił się w 1942 roku w Wellcome Research Laboratories, czyli w ośrodku badawczym brytyjskiego koncernu farmaceutycznego Burroughs Wellcome, zlokalizowanym wówczas w Tuckahoe w stanie Nowy Jork.

Dwa lata później dołączyła do niego asystentka Gertruda Elion, co rozpoczęło ich trwającą całe życie niezwykle owocną współpracę nad projektowaniem leków. Sam Hitchings powtarzał później, że dzień zatrudnienia Gertrudy Elion był najlepszym dniem jego pracy zawodowej.

Elion

Gertruda B. Elion – córka uznanego dentysty – urodziła się w 1918 roku. Dwa życiowe wydarzenia skłoniły ją do wyboru kariery: jej dziadek zmarł na raka żołądka zanim poszła do college’u, a jej narzeczony z powodu zapalenia wsierdzia, kiedy college skończyła. Z podobnych powodów jak Hitchings postanowiła poświęcić się naukom biomedycznym. W 1941 roku ukończyła New York University z tytułem magistra chemii. Pracowała i jako chemik, i poza zawodem w różnych instytucjach, robiąc jednocześnie doktorat w Brooklyn Polytechnic Institute. W 1944 roku została zatrudniona przez Hitchingsa w laboratorium Wellcome (ryc. 1).

Ryc. 1. Gertruda Elion i George Hitchings w Wellcome Research Laboratories ok. 1948 roku.

Wkrótce potem Gertruda Elion porzuciła wszystkie inne zajęcia, w tym zrezygnowała z robienia doktoratu, żeby móc w całości poświęcić się ekscytującym badaniom prowadzonym z Hitchingsem. Warto wiedzieć, że uczelnia, na której studia doktorskie przerwała, przyznała jej doktorat honoris causa w 1989 roku.

Cel – synteza kwasów nukleinowych

Hitchings, nauczony przykładem sulfonamidów, które blokują syntezę kwasu foliowego bakterii, i mający swoje własne doświadczenie badawcze z purynami, postanowił rozpocząć racjonalny projekt badań związków, które będą interferowały z syntezą kwasów nukleinowych w komórkach. Struktura DNA i RNA była w owych czasach jeszcze zagadką (rozwiązaną dopiero w 1953 roku przez badaczy z Cambridge: Jamesa D. Watsona i Francesa H.C. Cricka), ale znano już zasadnicze elementy budulcowe kwasów nukleinowych: puryny i pirymidyny. Celem miało być odkrycie nowych wartościowych leków przeciwnowotworowych i przeciwinfekcyjnych. Dodatkowym zadaniem była identyfikacja różnic w metabolizmie kwasów nukleinowych między prawidłowymi ludzkimi komórkami a komórkami nowotworowymi i komórkami drobnoustrojów chorobotwórczych: bakterii, grzybów, wirusów czy pierwotniaków.

Elion zajęła się identyfikacją związków blokujących enzymy bakteryjne Lactobacillus casei uczestniczące we włączaniu puryn do nowo powstającej nici DNA bakterii. W roku 1950 Elion i Hitchings dysponowali dwoma zsyntetyzowanymi przez siebie antymetabolitami – strukturalnymi analogami puryn: diaminopuryną i tioguaniną, które wydawały się obiecujące w farmakologicznych modelach białaczki.

W 1951 roku, po przetestowaniu około 100 różnych związków, Elion uzyskała przez zastąpienie tlenu siarką w cząsteczce tioguaniny związek o nazwie 6-merkaptopuryna. W Memorial Sloan Kettering Cancer Center w Nowym Jorku rozpoczęto testowanie związku, najpierw na modelu białaczki u szczurów, a wkrótce potem z udziałem chorych dzieci. W 1953 roku Food and Drug Administration dopuściła lek do użycia pod nazwą handlową Purinethol, co oznacza nadzwyczajne tempo procesu rejestracyjnego – lek stał się dostępny zaledwie dwa lata po zsyntetyzowaniu i 10 miesięcy po rozpoczęciu badań klinicznych.

Wkrótce zespół Elion i Hitchingsa jeden po drugim zsyntetyzowali kolejne analogi purynowe, które posłużyły różnym celom: w 1956 otrzymali allopurynol (Zyloprim) – lek blokujący powstawanie kwasu moczowego, a w 1957 azatioprynę (Imuran), czyli prekursor 6-merkaptoputyny – lek immunosupresyjny. W latach 60. skoncentrowali się na związkach blokujących syntezę DNA chorobotwórczych drobnoustrojów, czego efektem było odkrycie pirymetaminy (Daraprim) o działaniu przeciwzimniczym i trimetoprimu (Septra) o działaniu przeciwbakteryjnym.

W uznaniu bezprecedensowych zasług w 1967 roku Hitchingsa mianowano wiceprezesem firmy do spraw nauki, a Elion kierownikiem ośrodka leczenia eksperymentalnego. Dla Hitchingsa stanowiło to koniec aktywnego udziału w pracach badawczych, natomiast przed Elion były jeszcze dalsze przełomowe odkrycia.

Acyklowir

W roku 1968 w firmie Burroughs Wellcome postanowiono rozpocząć program rozwojowy leków przeciwwirusowych analogów purynowych, czego bezpośrednią przyczyną było wykazanie przez Franka Schabela z Southern Research Institute w Birmingham w Alabamie szerokiej aktywności przeciwwirusowej arabinozydu adeniny – widarabiny (patrz poprzedni odcinek serii: Jak zabić wirusy? MT 2014; 9: 77-79.). Szybko się okazało, że arabinozyd 2,6-diaminopuryny czy arabinozyd guaniny mają działanie przeciw wirusom DNA i RNA. Następnie chemicy ośrodka Wellcome Research Institute Howard Schaeffer i Lilia Beauchamp wykazali, że reszta cukrowa w ogóle nie jest potrzebna dla działania przeciwwirusowego pochodnych nukleozydów. Wtedy wśród innych związków zsyntetyzowano w 1974 roku acykliczną pochodną guaniny, nazwaną zresztą początkowo acykloguanozyną, czyli późniejszy acyklowir.

Związek trafił w ręce zespołu badawczego kierowanego przez Elion i rozpoczął się trwający cztery lata (1974-1977) okres poufnych badań 75-osobowego zespołu nad mechanizmem działania acyklowiru wstępnie określonym jako unikatowy. Pierwsza publikacja dotycząca wybiórczej aktywności przeciwwirusowej acyklowiru przeciw HSV i VZV ukazała się w 1977 roku (Elion G. i wsp.: Selectivity of action of an antiherpetic agent, 9-[2-hydroxyethoxymethyl]guanine. Proc Natl Acad Sci USA1977; 74 ¹² : 5716–5720.). Opisano w niejprzyczyny wybiórczego działania leku przeciw HSV i VZV, co wynika z katalizowania początkowego etapu aktywacji acyklowiru przez kinazę tymidynową (powstaje wówczas monofosforan acyklowiru – ACV-MP) obecną wyłącznie w komórkach tych wirusów oraz inaktywacji wirusowej polimerazy DNA tych wirusów przez trifosforan acyklowiru – ACV-TP, a brak wpływu tego związku na polimerazę komórkowej polimerazy DNA. W odróżnieniu od HSV i VZV, nie ma wybiórczej aktywacji acyklowiru przez wirusa Epsteina-Barr (EBV), ale polimeraza DNA tego wirusa jest inaktywowana przez ACV-TP w bardzo małych stężeniach, zatem możliwe jest zablokowanie replikacji DNA EBV bez istotnego wpływu na syntezę komórkowego DNA.

Acyklowir pod handlową nazwą Zovirax został zarejestrowany przez FDA w postaci maści w 1982 roku, a w postaci kapsułek doustnych w 1985 roku.

Współpracownicy Elion z ośrodka badawczego Burrougs Wellcome, uznawanego wówczas za referencyjny w dziedzinie analogów nukleozydowych i leków przeciwwirusowych, odkryli pierwszy lek przeciw HIV – azydotymidynę, czyli zydowudynę, w 1985 roku.

Hitchings i Elion otrzymali wspólnie nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za odkrycia przełomowych metod farmakoterapii w 1988 roku.