Je leest:

Platina en kanker

Platina en kanker

Auteur: | 1 januari 2003

Cisplatina, het meest verkochte en meest eenvoudige geneesmiddel tegen kanker, bindt bijzonder kieskeurig aan DNA. Uit recent onderzoek blijkt hoe het zeer subtiel DNA-ketens verstoort. Gezonde cellen kunnen zich daar nog overheen zetten, maar een tumor-cel verliest veelal het vermogen tot delen.

Wielrenner Lance Armstrong is inmiddels een levende legende. Eind 1996 blijkt hij vergevorde teelbalkanker te hebben, met uitzaaingen naar de longen en een tumor in de hersenen. Ondanks de slechte vooruitzichten geneest hij, dankzij een behandeling met een platinaverbinding. Dit jaar heeft de voormalig kankerpatiënt zelfs de Tour de France gewonnen.

Armstrong staat gelukkig niet alleen. De helft van alle kankerpatiënten geneest inmiddels. De Nederlandse Kankerbestrijding, het Koningin Wilhelmina Fonds, streeft echter naar nog betere resultaten. Over vijfentwintig jaar moeten twee op de drie patiënten genezen. Platinaverbindingen spelen een belangrijke rol bij het tot nu toe behaalde succes. De helft van de behandelde kankerpatiënten ontvangt chemotherapie, waarvan 20% een behandeling met een platinaverbinding. Per jaar zijn dit in Nederland en België samen reeds vijfduizend tot tienduizend patiënten, ofwel een op de veertig mensen zal in zijn leven zo’n behandeling krijgen.

Zware geneesmiddelen

Al richt de farmacologie zich steevast vooral op organische verbindingen, ook metaalverbindingen spelen traditiegetrouw een belangrijke rol in de geneeskunde. Nog geen eeuw geleden behandelden geneesheren allerlei kwalen soms lukraak met potentieel zeer giftige arseen-, antimoon- en kwikverbindingen. Organische kwikverbindingen zijn nog maar kortgeleden afgeschaft als vochtafdrijvende en anti-bacteriële middelen.

Ondanks deze griezelverhalen hebben veel patiënten baat gehad bij geneesmiddelen die diverse metalen bevatten. Sinds 1929 gebruiken artsen bewust goudverbindingen bij de reumabestrijding (chrysotherapie). Koperverbindingen maken doeltreffend radicalen onschadelijk en zijn onder andere toegepast bij de behandeling van patiënten na het nucleaire ongeval in Tsjernobyl in 1986. Bismutverbindingen helpen bij de behandeling van brandwonden en bij de behandeling van maagzweren. Lithiumverbindingen helpen tegen manische depressie. Gadoliniumverbindingen zijn in snel tempo ingevoerd als contrastmiddelen bij het NMRI-onderzoek.

Hoewel diverse metaalverbindingen reeds enige tijd als geneesmiddel in gebruik zijn, is van hun werkingsmechanisme in de meeste gevallen nog vrij weinig bekend. Voor een goed begrip van de anorganische aspecten van geneesmiddelen is het belangrijk dat anorganische en coördinatiechemie van dit soort middelen meer aandacht krijgen.

Chemische reactiviteit

In tegenstelling tot de klassieke organische geneesmiddelen loopt de chemische reactiviteit van veel anorganische (ofwel metaalbevattende) geneesmiddelen sterk uiteen. Metaalionen kunnen bijvoorbeeld vaak worden geoxideerd of gereduceerd, waarbij ze van lading veranderen. Sommige van deze chemische reacties kunnen ernstige complicaties opleveren, maar andere leveren weer belangrijke voordelen. Een belangrijk onderscheid met organische geneesmiddelen ontstaat doordat metaalionen in een oplossing altijd zijn omgeven door chemische groepen, de zogenoemde liganden. Dat kunnen watermoleculen zijn, maar ook andere anorganische of organische atomen of moleculen, zoals chloride-ionen, ammoniak en aminozuren. Hoe sterk die liganden aan een metaalion binden, varieert nogal. Zelfs als ze zeer hecht binden, laten ze toch regelmatig even los van het metaal. Soms gebeurt dat elke paar microseconden, maar deze tijdschaal kan oplopen tot seconden, minuten, zelfs enkele uren of dagen.

De werking van platinaverbindingen hebben we inmiddels voor een belangrijk deel opgehelderd. Veel van deze verbindingen wisselen hun liganden relatief traag uit, de tijdschaal bedraagt dan een paar uur. Een ander edelmetaal, palladium, lijkt chemisch erg veel op platina. Reacties met palladiumverbindingen verlopen echter doorgaans circa duizendmaal sneller. Dat is veel te snel vergeleken met de biochemische reacties in cellen. Daarom zijn palladiumverbindingen ongeschikt als antitumormiddelen. Verbindingen van ruthenium, een ander edelmetaal, hebben vaak wel dezelfde reactiesnelheid als platinaverbindingen. De laatste vijf jaar meldden diverse onderzoekers rutheniumverbindingen met activiteit tegen tumoren. Naar verwachting zal het onderzoek aan antitumormiddelen die andere metalen bevatten, in het bijzonder ruthenium, de komende jaren een grote vlucht nemen.

Onverwacht resultaat van gek idee

De ontdekking van antitumormiddelen op basis van platina begint 35 jaar geleden. De biofysicus Rosenberg kijkt in 1964 naar delende zoogdiercellen en raakt gefascineerd door de patronen die de chromosomen vormen. Het lijken wel de krachtlijnen van een elektrisch veld. Dit brengt hem op het op zich malle idee om de invloed van een elektrisch veld op de celgroei na te gaan.

Bij gebrek aan zoogdiercellen neemt hij bacteriën (al delen die zich helemaal niet zoals hij dacht). Hij plaatst ze in een oplossing van ammoniumchloride. Met platina-elektroden leidt hij vervolgens een zwakke elektrische stroom door de oplossing. Tot zijn verrassing stoppen de bacteriën met delen, maar groeien ze nog wel door. Er ontstaan zo lange vezelachtige structuren van reuzencellen. Bepaalde platinaverbindingen, die zijn ontstaan onder invloed van zonlicht en de elektrische stroom uit de elektroden en de NH4Cl-oplossing, blijken het waargenomen effect te veroorzaken. Vanwege deze biologische eigenschappen van de platinaverbindingen, in hoofdzaak cis-PtCl2(NH3)2 en cis-PtCl4(NH3)2, test hij ze enkele jaren later ook op antitumoractiviteit.

Het resultaat van Rosenbergs baanbrekende werk is uitermate hoopgevend. Vooral tumoren aan hoofd en hals en die aan de geslachtsorganen blijken zeer gevoelig voor cisplatina. Daar komen genezingen van meer dan 90% voor. Een sprekend voorbeeld is de reeds genoemde wielrenner Lance Armstrong.

Na de ontdekking van de antitumoractiviteit van cisplatina hebben chemici vele andere platinaverbindingen bereid en getest, in de hoop nog beter bruikbare analoge verbindingen te vinden. In een aantal gevallen is dat gelukt. Ook hoopten ze een verband te vinden tussen de structuur van de verbindingen en de antitumoractiviteit, zodat ze gerichter naar geschikte antitumormiddelen konden zoeken.

De algemene formule voor een grote verzameling van actieve platinaverbindingen is: cis-PtX2(amine)2, waarbij X een ligand als chloride of appelzuur is en het amine een primair of secundair amine. Cis duidt aan dat de twee liganden aan dezelfde zijde van het metaalatoom zijn gebonden. Bij de verbinding trans-PtCl2(NH3)2 – evenals cisplatina al bekend sinds 1845 – staan zowel de chloorionen als de aminegroepen kruislings tegenover elkaar. Die verbinding heeft geen antitumoractiviteit, maar reageert in de reageerbuis met onder andere DNA vrijwel hetzelfde als de cis-vorm. De reactiesnelheid van beide vormen verschilt echter nogal. De transvorm reageert veelal sneller met allerlei biomoleculen, waarbij andere producten ontstaan.

Gezonde cellen herstellen wel

Artsen dienen cisplatina meestal in de bloedbaan van de patiënt toe met een injectie of een infuus. Inmiddels is ook orale toediening van een verwant derivaat, JM-216, mogelijk. Van platinaverbindingen zoals cisplatina is al lang bekend dat ze hun liganden langzaam uitwisselen; die eigenschap is in feite de basis voor de succesvolle medische toepassing ervan. De splitsing van cisplatina in water verloopt langzaam; in bloed gaat het nog trager en zeer onvolledig omdat daar een relatief hoge concentratie aan chloorionen in voorkomt, circa 0,1 molair. Die relatief hoge concentratie remt de splitsingsreactie. In de cellen aangekomen reageert cisplatina echter wel met water (zogenaamde hydrolyse), doordat de concentratie chloorionen daar dertigmaal zo laag is, zij het nog steeds vrij langzaam.

De reactievergelijkingen voor deze eerste reacties zijn:

cis-Pt(NH3)2Cl2 + H2O > cis Pt(NH3)2Cl(H2O)+ + Cl– (1)

cis-Pt(NH3)2Cl(H2O)+ + H2O → cis-Pt(NH3)2(H2O)22+ + Cl– (2)

De gevormde moleculen reageren in de cel verder op een tijdschaal die overeenkomt met die van biochemische reacties. Dat is een belangrijk voordeel: de actieve chemische vorm van het geneesmiddel verschilt sterk van de toegediende verbinding. In de patiënt is eerste splitsingsreactie het belangrijkst. Het gevormde tussenproduct kan namelijk relatief snel reageren met verbindingen in de cel, zoals aminozuren, fosfaat, nucleïnezuren en peptiden. Met name het in de cel aanwezige peptide glutathion is een ligand dat dankzij een zwavelatoom snel aan zware-metaalionen zoals platina bindt.

Diverse speciale reacties tussen de platinaverbinding en het DNA zorgen ervoor dat de tumorcel zich niet meer kan delen en zal afsterven. Gezonde cellen kunnen de ontstane DNA-schade meestal wel tijdig repareren.

Cisplatina is bijzonder giftig, met name voor de nieren. De patiënt scheidt via de nieren de helft van het toegediende platina ongebruikt binnen 48 uur uit. Allerlei in de kliniek ontwikkelde methoden moeten de schade beperken. Daartoe behoren ‘plaspillen’ voor het doorspoelen van de nieren en combinatietherapie. Bovendien zijn er beschermingsmiddelen die in het bloed en in de nieren stevig met een zwavelatoom aan het platina binden. Kennelijk vertraagt of verhindert dat de binding van platina aan allerlei eiwitten. Andere bijwerkingen, zoals doofheid en misselijkheid, zijn uitermate vervelend voor de patiënt.

Intermezzo: DNA-structuur verstoord

De twee purinebasen in het DNA, adenine en guanine, oefenen een aantrekkingskracht op het cisplatina uit. Vooral de stikstofatomen met nummer 7 (in guanine en adenine) en met nummer 1 (in adenine) kunnen goed binden met het antitumormiddel.

De verstoorde dubbele helix verhindert de celdeling. De binding van cisplatina aan DNA zorgt voor een knik in de DNA-keten.

Cisplatina heeft een sterke voorkeur om een brug te vormen tussen twee naburige guaninebasen op dezelfde streng van het DNA. Deze speciale wisselwerking van cisplatina met DNA is uniek. Op het eerste gezicht lijkt het onmogelijk. In de dubbele helix zijn de basen zeer netjes parallel gerangschikt. Er is tussen twee basen weinig ruimte. De eerste binding van het cis-complex aan een guaninebase verstoort echter de plaatselijke DNA-structuur. De keten krijgt daar meer flexibiliteit en knikt iets, zodat vervolgens de cis-verbinding een brug met de andere base kan vormen.

De koppeling van een cisplatina-molecuul met twee guaninebasen komt het meest voor, namelijk in 65-70% van de gevallen. Ook vormt een platinaverbinding geregeld een brug tussen de nucleïnezuren adenine en guanine, waarbij de cis-Pt(NH3)2-eenheid bij beide basen aan het stikstofatoom 7 is gebonden. Andere bindingsplaatsen komen veel minder voor.

We hebben diverse synthetische DNA-fragmenten met twee naburige guaninegroepen laten reageren met cisplatina en de ontstane structuur bekeken. Het platinamolecuul veroorzaakt een knik (ca. 30 tot 50º) in de DNA-keten. Het DNA ontrolt daarbij een klein beetje (ca. 13º). Een waterstofbrug tussen een amineligand van een platina en een fosfaatgroep in de keten stabiliseert deze verstoring. De knik vormt geen belemmering voor de baseparing tussen de twee DNA-ketens. Wel heeft deze dubbele helix een uitsmeltpunt dat 10 tot 15ºC lager ligt dan bij normaal DNA. Begin dit jaar is aangetoond dat speciale eiwitten (HMG-eiwitten) de knik herkennen en de structuur als het ware beschermen. Middels een bepaling van de driedimensionale structuur bleek de gehele interactie zichtbaar te maken.

Essentiële rol voor herstelenzymen

Het geneesmiddel cisplatina komt in vele lichaamscellen terecht. Het werkt echter vernietigend op het DNA in de tumorcellen. Waar komt dit verschil vandaan?

De nucleïnezuren in het DNA bevatten diverse bindingsplaatsen voor metaalionen. Voor ‘zware’ metaalionen, zoals platina, goud en ruthenium, zijn de stikstofatomen het aantrekkelijkst. De lichtere metaalionen calcium en magnesium binden vooral aan zuurstofatomen.

Circa vijftien jaar geleden begon het onderzoek naar het gedetailleerde werkingsmechanisme van cisplatina, onder meer in Leiden. De stof bindt aan de bouwstenen van het erfelijk materiaal DNA, de zogenoemde nucleïnezuren of basen. Daardoor kan het DNA bij een celdeling zich niet meer goed vermenigvuldigen, en kunnen geen nieuwe cellen – kankercellen – ontstaan.

Door aan DNA te binden, verstoort cisplatina plaatselijk de DNA-structuur. Herstelenzymen in gezonde en in resistente cellen herkennen de ontstane schade en maken die veelal snel ongedaan. De herstelenzymen in een tumorcel zijn daartoe echter niet in staat. Daarmee is het lot van de tumorcel beslist. Het stevig aan DNA gebonden platina voorkomt dat de kankercel zich verder kan delen.

Meestal gaat cisplatina op bepaalde plaatsen in het DNA zitten. De stof kan echter ook reageren met andere bindingsplaatsen op het DNA en een brug vormen tussen twee basen in verschillende DNA-ketens of tussen basen die op grotere afstand in de keten voorkomen. Dergelijke reacties veranderen de structuur van het DNA zo sterk, dat zelfs de herstelenzymen in tumorcellen die schade herkennen en ongedaan kunnen maken.

Hoewel er in de cel vele soorten chemische groepen (liganden) aanwezig zijn die aan het platina-ion kunnen binden, wijzen nu beschikbare gegevens erop dat de door ons gevonden specifieke interactie van de platinaverbinding met het DNA verantwoordelijk is voor de antikanker-eigenschappen. In feite toonde Rosenberg dit als eerste aan, toen hij zag hoe het stofje de celdeling van E. coli-bacteriën remde. Ook de onomkeerbare en selectieve remming van DNA-synthese, zowel in tumorweefsel (in vivo) als in de reageerbuis (in vitro), wijst hierop. Het cisplatina heeft nauwelijks invloed op de synthese van RNA en eiwitten.

Mutageen

Het eerst verschenen oraal toedienbare middel is het het zogenaamde JM-216. Na opname in het maagdarmkanaal wordt dat gereduceerd tot tweewaardig platina, Pt(II). Inmiddels zijn er, naast cisplatina, diverse platinaverbindingen routinematig of bij klinische testen in gebruik als antitumormiddel, met name carboplatina. Succesvolle aanwinsten van de laatste twee jaar zijn oxaliplatina (behandeling van onder andere darmkanker) en de nog niet algemeen toegepaste verbinding ZD0473 (minder toxisch).

De hoeveelheid cisplatina die onder therapeutische condities bindt aan DNA in tumorcellen is vergelijkbaar met de hoeveelheid die bij een overeenkomstige dosis bindt aan gekweekte tumorcellen. Verder zijn alle platinaverbindingen met antitumoractiviteit ook mutageen (dat wil zeggen: ze veroorzaken DNA-schade). De aard van het mutagene karakter kan echter sterk verschillen. Een aantal nieuwe platinaverbindingen heeft, hoewel ze ook op DNA ingrijpen, een ander mutageen effect dan cisplatina. Blijkbaar werken niet alle platinaverbindingen noodzakelijk via hetzelfde mechanisme.

Cellen met een defect herstelmechanisme voor DNA-schade (excisieherstel) zijn veel gevoeliger voor cis-PtCl2(NH3)2. Voordat het platina het DNA in de cellen bereikt, kan daaraan echter – moleculair gezien – veel vooraf gaan. Zo kan cisplatina bij binnenkomst in de cel al reageren met bestanddelen in de celmembraan, waardoor het transport van stoffen over de membraan wordt beïnvloed. Als de platinaverbinding in de cel is aangekomen, zijn er mogelijk reacties met zwavelhoudende moleculen, zoals glutathion en het aminozuur methionine. Of al die tussenproducten een rol van betekenis spelen voordat het platina aan het DNA bindt, vormt voor ons een actueel onderwerp van onderzoek. Natuurlijk is het ook interessant welke verschillen daarbij optreden tussen gezonde cellen en tumorcellen.

Meer pijlen op de boog

Het toegenomen inzicht in de werking van antitumorverbindingen op basis van platina heeft geleid tot belangrijke nieuwe derivaten en een aanzienlijk verbeterd toedieningsprotocol waar patiënten veel baat bij hebben. We hebben nog diverse pijlen op de boog. In de nabije toekomst willen we ondermeer kijken naar de details van de structuur van de platina-DNA-verbindingen, met name met andere stikstofbevattende groepen (amines) als ligand. Onderzoek aan andere actieve en inactieve platinaverbindingen moet belangrijke bindingsinformatie opleveren.

Vervolgens willen we de synthese, structuur en werking bestuderen van analoge platinaverbindingen met betere eigenschappen, zoals betere oplosbaarheid en kruisresistentie en minder bijwerkingen. Interessant zijn ook de verbindingen met een extra ingebouwde functie. Daarbij denken we aan verbindingen die we kunnen activeren met een bepaalde straling (bijvoorbeeld licht) of die zijn uitgerust met groepen waardoor ze zich ophopen in tumoren. We verwachten ook veel van de zogenaamde ‘orale’ platinaverbindingen.

Ten slotte staat moleculair gericht onderzoek naar resistentie en naar herstel van platina-DNA-schade op het programma. Zowel in prokaryoten als in eukaryoten bindt een eiwit aan het DNA op de plaats waar het platina zich bevindt. Het is nog de vraag of dit eiwit het herstel van de platinaschade bevordert, of dit juist verhindert. Interessante vragen te over. Wellicht levert dit eiwit nieuwe aangrijpingspunten voor kankertherapieën op. Creatieve chemici hebben al met al nog vele mensjaren werk om het voorlopige doel van het Koningin Wilhelmina Fonds te bereiken dat over vijfentwintig jaar twee op de drie kankerpatiënten moeten genezen.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.