background image

Antineoplastic Agents 

Lecture 4

 

 ANTIBIOTICS AND NATURAL PRODUCTS

 

 


background image

ANTIBIOTICS AND NATURAL PRODUCTS 

Are  derived  from  natural  sources,  several  of  these  being 
obtained  from microbial  sources  (antibiotics).  Many  of  the 
antineoplastic  antibiotics  are  produced  by  the  soil  fungus 
Streptomyces
.  Both  the  antibiotic  and  natural  product 
classes  have  multiple  inhibitory  effects  on  cell  growth; 
however, they primarily act to disrupt DNA function and cell 
division. 

There are several mechanisms by which these agents target 
DNA, including: 
1. intercalation 
2.alkylation 
3.Strand  breakage  either  directly  or  as  a  result  of  enzyme 
inhibition. 


background image

Intercalation is a process by which a planar molecule of 
the  appropriate  size  inserts  itself  between  adjacent 
base  pairs  of  DNA  and  causing  a  local  unwinding  that 
may disrupt the normal template function of DNA. 

The  interaction  of  the  intercalator  between  adjacent 
base pairs occurs by: 

Overlap  of  p-orbitals  of  the  intercalator  and  the  base 
pairs.  The  p
-orbitals  of  the  intercalation  species  are 
provided by a combination of aromatic and conjugated 
systems  that  impart  the  planarity  required  for 
intercalation. 


background image

The  drug–DNA  interaction  is  further  stabilized  by  side 
chains  attached  to  the  intercalation  species.  The  side 
chains  often  include  a  cationic  moiety,  which  may  form 
ionic  bonds  with  the  anionic  phosphate  backbone. 
Alternative  modes  of  stabilization  may  occur  through  a 
combination  of  van  der  Waals  interaction  or  hydrogen 

bonds.        

The  overall  result  of  these  interactions  is  to  cause            
1.  A  local  shape  distortion  of  the  DNA  leading  to  the 
inhibition of normal DNA function. 

2. Inhibition of topoisomerase enzymes. 


background image

Topoisomerase  enzymes  are  responsible  for  the 
unwinding  and  relaxation  of  DNA  so  that  transcription 
may occur. 

types of topoisomerase enzymes 

1. Topoisomerase I makes a single-strand break in DNA 
and  subsequently  allows  the  other  strand  to  spin, 
relieving  any  tension  associated  with  the  packing 
process and subsequently reseals the broken strand. 

2. Topoisomerase II makes double-strand breaks in DNA 
allowing  an  intact  chain  to  pass  through  and  then 
subsequently reseals the double-strand break. 


background image

Several natural products that are capable of disrupting the 
formation  and  function  of  the  mitotic  spindle.  These 
include  the  epipodophyllotoxins,  the  taxanes,  and  the 
vinca  alkaloids.  The  mitotic  spindle  forms  during  the  M 
phase  of  the  cell  cycle  and  is  responsible  for  moving  the 
replicated DNA to opposite ends of the cell in preparation 
for cell division. 


background image

Actinomycins 

Are  a  group  of  compounds  that  are  isolated  from  various 
species  of  Streptomyces,  all  of  which  contain  the  same 
phenoxazone  chromophore  but  differ  in  the  attached 
peptide portion. 

From this group emerged actinomycin D, which is known 
as dactinomycin
 


background image

Dactinomycin it contains identical pentapeptides bound 
through an amide linkage utilizing the amino group of L-
threonine with carbonyls at positions 1 and 9. 

Dactinomycin  binds  non-covalently  to  double-stranded 
DNA by partial intercalation between adjacent guanine 
cytosine bases resulting in inhibition of DNA function. 

The preference for GpC base pairs is thought to be partly 
related to the formation of a hydrogen bond between the 
2-amino  groups  of  guanine  and  the  carbonyls  of  the  L-
threonine residues


background image


background image

1.  The  primary  effect  is  the  inhibition  of  DNA-directed 
RNA synthesis ( specifically RNA polymerase).  

Mechanism of action 

10 

The  planar  phenoxazone  ring,  which  facilitates 
intercalation  between  DNA  base  pairs.  The  peptide 
loops are  located  within  the  minor  groove  and  provide 
for additional interactions. 


background image

2. Inhibition of DNA synthesis, and the agent is considered 
cell cycle specific for the G1 and S phases. 

3. Inhibition of topoismerase II.  

Resistance 

Resistance is caused by: 

1. Decreased ability of tumor cells to take up the drug 

2. P-glycoprotein (Pgp)-mediated efflux. 

11 


background image

Anthracyclines 

Are  characterized  by  a  planar  oxidized  anthracene  nucleus 
fused  to  a  cyclohexane  ring  that  is  subsequently  connected 
via a glycosidic linkage to an amino sugar. 

12 


background image

Mechanism of action 

The  accepted  mechanism  involves  intercalation  followed  by 
inhibition  of  topoisomerase  II  resulting  in  strand  breakage 
leading to apoptosis 

The anthracyclines are considered specific for the S phase of 
the cell cycle. 

13 


background image

In the case of doxorubicin and daunorubicin, specificity for 
GpC  is provided by the hydrogen bonding between O-9 of 
the anthracycline and N-2 and N-3 of guanine. 

The formation of covalent bonds between anthracyclines and 
DNA  also  is  supported  by  several  studies  in  which 
formaldehyde  is  produced  by  oxidation  of  cellular 
components  or  other  anthracycline  molecules.  The 
generated formaldehyde may then form a methylene bridge 
between the 4′-amino group of the anthracycline and the 2-
amino group of guanine in DNA  

14 


background image

15 


background image

Anthracyclines  produce  several  adverse  effects  that  are 
typical  for  antineoplastics,  cardiotoxicity  is  a  special 
concern  with  this  class  of  agents.  The  associated 
cardiomyopathies  and  congestive  heart  failure  (CHF)  have 
been related to the ability of these compounds to undergo 
redox cycling and give free radicals. 

Resistance 

- Decreased expression of topoisomerase II.  
 
-  Mutations  in  this  enzyme  that  decrease  binding  of  the 
drug.  
 
- P-glycoprotein (Pgp)-mediated efflux. 

16 


background image

EPIRUBRICIN HYDROCHLORIDE 

Epirubicin is the 3′-epimer of doxorubicin, which exhibits a lower 
level  of  cardiotoxicity  compared  with  doxorubicin.  The  reduced 
cardiotoxicity  has  been  attributed  to  the  epimerization  of  3′-OH, 
which places this -OH function in an equatorial position resulting 
in  increased  glucuronidation,  faster  clearance,  and  decreased 
metabolic  reduction  to  epirubicinol,  the  C-13  alcohol  (compared 
with 

doxorubicin). 

The 

glucuronide, 

which 

forms 

via 

glucuronidation of the 3′-alcohol 

17 


background image

Epipodophyllotoxins 

Are semisynthetic derivatives of podophyllotoxin 

Etoposide acts on topoisomerase II.  

The  agents  are  considered  cell  cycle  specific  and  act  in 
the late S and G2 phases of the cell cycle. 

18 


background image

Replacement of the glycosidic 8-methyl 
group with thiophene gives tenoposide, 
which  is  10-fold  more  potent  than 
etoposide.  The  glycosidic  moiety  is  not 
an  absolute  requirement  for  activity, 
and  other  more  active  compounds  are 
known in which it has been replaced. 

19 


background image

The  4′-OH  group  is  important  for  the  activity  of  the 
compounds, and loss of this functionality results in greatly 
reduced  levels  of  strand  breaks.  Removal  of  one  of  the 
adjacent methoxy groups by oxidative-O
-dealkylation gives 
the  catechol  analogs,  which  are  more  potent  than  the 
parent  molecules.  The  catechol  analogs  may  be  further 
oxidized  to  give  the  quinones,  which  are  also  more  active 
than the parent 

20 


background image

1. Increased efflux by Pgp. 
2. Topoisomerase II levels may decrease or develop altered 
binding sites with lower affinity for these agents.  
3. Increased DNA repair mechanisms. 
  

Resistance 

21 


background image

Camptothecins 

Are inhibitors of topoisomerase I 

Camptothecin  had  low  water 
solubility, and to overcome this:  
 1-  The  sodium  salt  had  been 
prepared  and  used  during  the 
trials.  This  was  accomplished  by 
hydrolysis of  the  E-ring  lactone  to 
give the carboxylate salt 

22 


background image

The resulting ring-opened material was 10 times less active 
and more toxic.  

2- The incorporation of side chains containing basic amines 
led  to  the  more  water-soluble  derivatives,  topotecan  and 
irinotecan.  These  agents  could  be  administered  as  the 
lactone giving better clinical results. 

23 


background image

The  camptothecin  analogs  bind  to  the  enzyme  DNA 
complex after strand cleavage has occurred, the binding 
site for this intercalation is only formed after the enzyme 
is  bound  to  DNA,  and  once  this  site  is  occupied  by  the 
drug, it prevents the realignment necessary for resealing 
of the initial strand break. 

24 


background image

Irinotecan  undergoes  hydrolysis  of  its  carbamate 
moiety by irinotecan-converting enzyme to give SN-38, 
which  is  1,000  times  more  potent  than  the  parent 
compound 

25 


background image

Further  metabolism  involves  the  glucuronidation  of  the 
resulting  phenolic  function  of  SN-38  to  give  SN-38G, 
which is inactive. 

An  additional  metabolite  forms  as  a  result  of  CYP3A4-
mediated  conversion  to  (APC),  which  is  100  times  less 
active than SN-38. 

26 


background image

Bleomycin 

Is a glycopeptide antibiotic complex, At least 13 different 
fractions of bleomycin have been isolated with the clinically  
used product (Blenoxane) being a mixture of predominantly 
 A2 (55%-70%) and B2 (25%-32%) fractions. A2 appears to 
possess the greatest antineoplastic activity. 

27 


background image

-Intercalates with DNA 
- Destruction of DNA via cytotoxic free radicals formed by 
Fe2+-chelated bleomycin. 

Mechanism of action 

28 


background image

Hydrolysis of the N-terminal amide to the carboxylic acid 
increase  the  pKa  of  the  amine  at  C-2  from  7.3  to  9.4, 
resulting in a greater degree of ionization and decreased 
binding to DNA.  
The enzyme responsible for this conversion is known as 
bleomycin  hydrolase
.  Tumor  cells  that  are  resistant  to 
bleomycin may contain high levels of this enzyme. 

Resistance  

29 




رفعت المحاضرة من قبل: Tabarek Alshamarti
المشاهدات: لقد قام 13 عضواً و 119 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل