Rudé cytostatikum, železo a mitochondrie

Doxorubicin je antibiotikum temně rudé barvy produkované bakteriemi rodu Streptomyces¹⁾ pro potřeby vlastní ochrany a chemických bitev v rámci mikrobiálních společenstev v půdě. Patří do skupiny antracyklinů, neboť má antracenové jádro, resp. antrachinon, který je díky své aromatické struktuře plochý a snadno se zasune mezi taktéž ploché nukleotidové báze naskládané v dvoušroubovici DNA. Takovým vsunutím (interkalací) je znesnadněno rozvinutí DNA (nezbytné pro její zkopírování), a navíc je inhibován enzym topoizomeráza typu II, který je odpovědný za rozmotávání DNA zašmodrchané při kopírování. Doxorubicin tedy v bakteriálních, ale i v savčích buňkách inhibuje syntézu DNA, a tím i dělení buněk – což se může velmi hodit pro léčbu nádorů.

Doxorubicin se používá většinou v kombinaci s jinými cytostatiky při léčbě řady solidních tumorů (pevných nádorů) a některých leukémií a lymfomů. Jeho nejzávažnějším nežádoucím účinkem, zásadně omezujícím celkovou dávku, kterou lze nemocným podat, je těžké poškození srdečního svalu, vedoucí k dilataci srdeční stěny a k selhání srdce. Přesný mechanismus vzniku tohoto srdečního poškození nebyl dosud znám, ale už dlouho se vědělo, že při něm hrají hlavní roli železo a mitochondrie. V srdečních buňkách vystavených doxorubicinu se v mitochondriích hromadí železo v různých podobách natolik, že přesáhne schopnost buněk omezit jeho toxické působení.

V normálně fungujících buňkách je hladina železa úzkostlivě kontrolována, protože jeho nedostatek i nadbytek mohou buňku zničit. Nadbytek se projeví hlavně produkcí reaktivních sloučenin kyslíku, mezi něž patří volné radikály, superoxid a hydroxylový radikál, které dokážou poškodit biologické membrány, proteiny i nukleové kyseliny. Tento oxidační stres vede k srdeční dysfunkci a kromě snížení dávky cytostatika jej umíme omezit podáváním léku vážícího nadbytečné železo, tzv. chelátoru železa. Jmenuje se dexrazoxan a je příbuzný široce používanému chelátoru EDTA (kyselině etylendiamintetraoctové), který najdete ve většině pracích prášků, mýdel a šamponů.

Doxorubicin (červeně) má plochou molekulu (viz níže), která se snadno zasouvá mezi nukleotidové báze, tím blokuje kopírování DNA a inhibuje buněčné dělení. Používá se proto v boji proti nádorům. Zároveň však poškozuje srdeční sval – v mitochondriích se hromadí železo. Nyní už víme, jak to dělá.Snímek Profimedia

Proč se ale železo hromadí právě v mitochondriích? Mitochondrie jsou zodpovědné za tvorbu dvou hlavních funkčních struktur obsahujících železo – proteinových klastrů Fe–S a hemu (kofaktoru v hemoglobinu, myoglobinu a dalších proteinech) – a proto je do nich železo dopravováno přednostně. Po expozici doxorubicinu se ale v normálně dobře regulovaném systému něco pokazí a železa se nahromadí tolik, že přes oxidativní poškození membrán spustí druh programované buněčné smrti, feroptózu. Dosud bylo navrženo několik mechanismů (snížení exprese mitochondriálního exportéru železa ABCB8, zvýšení exprese enzymu rozkládajícího hem, hemoxygenázy), ale žádný nakonec nebyl dostatečně přesvědčivý.

Nedávno publikovaná studie²⁾ se ale vydala jiným směrem: zaměřila se na syntézu hemu. Po přečtení jejích výsledků se nelze zbavit myšlenky, jak to, že to nikoho až doteď nenapadlo. Hromadění železa v mitochondriích je přece dobře známé u některých poruch syntézy hemu, kdy se v krvi objevují nezralé červené krvinky zvané sideroblasty, neboť obsahují mitochondrie napěchované železem, které se nemůže navázat na nedostatkový hem.

Ko Abe z Kjúšúské univerzity s kolegy ale postupoval obezřetně. Nejprve chtěl zjistit, proč doxorubicin poškozuje právě mitochondrie. Již se vědělo, že se doxorubicin umí interkalovat nejen do jaderné, ale i do mitochondriální DNA. Pomocí molekulárněbiologických technik snížil, resp. zvýšil expresi genu Twnk v kardiomyocytech, což vedlo k snížení, resp. zvýšení množství mitochondriální DNA, a zjistil, že čím víc mtDNA, tím větší toxické dopady doxorubicinu. Totožné účinky pozoroval i u myší se stejnou genetickou modifikací. Prvním předpokladem toxicity je tedy interkalace doxorubicinu do mtDNA.

V dalším kroku se podívali na dva mitochondriální enzymy účastnící se syntézy hemu, syntázu kyseliny 5-aminolevulové (ALAS-1) a ferrochelatázu. Jedná se o první a poslední enzym dráhy syntézy hemu, která začíná a končí v mitochondrii, ale z větší části probíhá v cytosolu. ALAS-1 na začátku složí dohromady aminokyselinu glycin s meziproduktem Krebsova cyklu sukcinylkoenzymem A a vytvoří první stavební kámen hemu, kyselinu 5-aminolevulovou (ALA). Ferrochelatáza na konci celé dráhy už do hotového organického kruhu protoporfyrinu IX vloží železnatý iont a vytvoří hem. Exprese obou enzymů na úrovni mRNA byla po podání doxorubicinu snížena, ale množství hotového proteinu bylo sníženo jen u ALAS-1. Vědecký tým tedy zkusil jinou metodou snížit množství ALAS-1 – a pozoroval akumulaci železa i bez doxorubicinu. Naopak zvýšení exprese tohoto enzymu ochránilo kardiomyocyty před toxicitou tohoto léku.

Od tohoto zjištění pak k možnému terapeutickému dopadu vedl jen jediný krok: zkusit podat myším přímo 5-aminolevulovou kyselinu, a překonat tak blokádu enzymu ALAS-1 způsobenou doxorubicinem. Myši, které po dávce doxorubicinu dostaly i ALA, měly nejen normální množství hemu v mitochondriích srdečních buněk, ale také podstatně méně poškozenou funkci srdce oproti myším bez ALA.

Jestli bude stejná metoda fungovat i u lidí, zatím nedokážeme říct. Jde ale o velice elegantní studii, která přináší řešení hádanky trvající desítky let prostřednictvím logiky, jež se ex post zdá být zcela zřejmá. 

Věnováno mému bohužel již zesnulému učiteli prof. Dr. Přemku Poňkovi, který zásadně přispěl k pochopení role mitochondrií v metabolismu železa a který mě před mnoha lety přivedl k trvalému zájmu o tento prvek i skrze debaty o poněkud záhadné toxicitě doxorubicinu.