Kardiotoksyczność Doxorubicyny – czy Simwastatyna może być rozwiązaniem?

Czy wiesz, jakie wyzwania niesie ze sobą kardiotoksyczność Doxorubicyny?

Doxorubicyna (Doxo) to szeroko stosowany chemioterapeutyk z rodziny antracyklin, wykorzystywany w leczeniu wielu typów nowotworów, w tym chłoniaków, mięsaków i raka piersi. Pomimo istotnego zwiększenia przeżywalności związanej z chorobą nowotworową, Doxo wywołuje poważną toksyczność sercowo-naczyniową, która występuje u nawet 25% pacjentów, co znacząco ogranicza jej zastosowanie kliniczne. Kardiotoksyczność indukowana doxorubicyną (DIC) charakteryzuje się klinicznie zmniejszoną frakcją wyrzutową lewej komory, zwiększoną grubością ściany komory, arytmiami i niewydolnością serca, z potencjalnie śmiertelnymi skutkami.

Pierwotna klasyfikacja DIC, oparta na czasie między podaniem leku a wystąpieniem objawów, dzieliła kardiotoksyczność na trzy typy: ostrą (po pojedynczej dawce), wczesną przewlekłą (w ciągu roku) i późną przewlekłą (5-10 lat po leczeniu). Jednak najnowsze dowody wskazują, że ostre i przewlekłe uszkodzenia serca wywołane przez Doxo nie są odrębnymi jednostkami chorobowymi, ale raczej potencjalnie ciągłym zjawiskiem, rozpoczynającym się od uszkodzenia komórek mięśnia sercowego, po którym następuje postępujące pogorszenie funkcji, prowadzące ostatecznie do jawnej niewydolności serca. Warto zauważyć, że mechanizmy działania przeciwnowotworowego i kardiotoksyczności przebiegają różnymi szlakami – podczas gdy hamowanie topoizomerazy II DNA i następujące uszkodzenie DNA odpowiadają za aktywność przeciwnowotworową, mechanizmy leżące u podstaw DIC nie są w pełni poznane.

Czy nowe strategie ochrony serca zmniejszają ryzyko toksycznych efektów Doxo?

Liczne badania wskazują na kluczową rolę stresu oksydacyjnego, dysfunkcji mitochondriów oraz zaburzeń homeostazy wapnia prowadzących do apoptozy w rozwoju kardiotoksyczności. Kardiomiocyty są szczególnie wrażliwe na podwyższone poziomy reaktywnych form tlenu (ROS), a ich mechanizmy obrony antyoksydacyjnej są często już nasycone przez endogenny metabolizm oksydacyjny. Dlatego zrozumienie mechanizmów zaangażowanych we wczesne etapy DIC i opracowanie strategii zapobiegawczych ma ogromne znaczenie dla zapewnienia przeżycia i jakości życia pacjentów, niezależnie od ich diagnozy nowotworowej.

Obecnie dexrazoksan jest jedynym środkiem kardioprotekcyjnym zatwierdzonym przez amerykańską Agencję Żywności i Leków (FDA) do zapobiegania kardiomiopatii wywołanej antracyklinami, ale jego stosowanie jest ograniczone ze względu na ryzyko rozwoju wtórnych nowotworów. W ostatnich latach badania koncentrują się na identyfikacji potencjalnych leków lub optymalizacji istniejących terapii, które mogą zmniejszyć i/lub zapobiec sercowym skutkom ubocznym Doxo bez kompromisów w zakresie skuteczności przeciwnowotworowej.

Statyny, będące inhibitorami reduktazy 3-hydroksy-3-metyloglutarylo-koenzymu A (HMG-CoA), są szczególnie obiecujące w tej dziedzinie ze względu na ich plejotropowe efekty biologiczne, począwszy od działania antyoksydacyjnego po przeciwzapalne, oprócz ich aktywności obniżającej poziom cholesterolu. Profilaktyczne stosowanie statyn może być cennym podejściem farmaceutycznym w łagodzeniu kardiotoksyczności wywołanej antracyklinami, szczególnie statyn lipofilnych, takich jak Simwastatyna i Atorwastatyna, które łatwiej przenikają przez błony komórkowe poprzez bierną dyfuzję niż statyny hydrofilne i wykazują więcej efektów niezależnych od cholesterolu w komórkach naczyniowych i kardiomiocytach.

Badanie kliniczne wykazało, że profilaktyczne stosowanie Atorwastatyny może zapobiec rozwojowi dysfunkcji serca u pacjentek z nowo zdiagnozowanym rakiem piersi otrzymujących chemioterapię opartą na antracyklinach. Ponadto, dwa niezależne badania kliniczne są obecnie w toku, aby ocenić, czy połączenie leczenia statyną z terapią uzupełniającą antracyklinami może pomóc w zachowaniu prawidłowej funkcji serca u pacjentek z rakiem piersi w okresach 15 tygodni (NCT02096588) i 24 miesięcy (NCT01988571). Najnowsze badania wykazały również, że statyny posiadają aktywność antyoksydacyjną, która może przyczynić się do złagodzenia stresu oksydacyjnego wywołanego przez leki chemioterapeutyczne.

Czy Simwastatyna może chronić kardiomiocyty przed uszkodzeniami wywołanymi przez Doxo?

W oparciu o te obserwacje, niniejsze badanie miało na celu sprawdzenie, czy Simwastatyna wywiera działanie kardioprotekcyjne w modelu in vitro ostrej kardiotoksyczności wywołanej przez Doxo. W badaniu wykorzystano ludzkie kardiomiocyty (HCM), które po 24 godzinach adhezji były wstępnie traktowane Simwastatyną (10 μM) przez 4 godziny, a następnie współtraktowane Simwastatyną i Doxo (1 μM) przez 20 godzin.

Tworzenie reaktywnych form tlenu (ROS) jest najczęściej zgłaszanym i powszechnie uznawanym pierwotnym mechanizmem DIC, ponieważ reaktywność chemiczna Doxorubicyny obejmuje cykl redoksowy, który prowadzi do generowania ROS. Analiza cytofluorymetryczna z użyciem 2′,7′-dichlorofluorescyny dioctanu (H₂DCF-DA) i MitoSOX Red potwierdziła, że Doxorubicyna znacząco zwiększyła produkcję ROS (p < 0,01 i p < 0,001 w porównaniu z komórkami kontrolnymi). Co ważne, dane wykazały, że współleczenie Simwastatyną znacząco zmniejszyło indukowaną przez Doxo nadprodukcję zarówno cytozolowych, jak i mitochondrialnych ROS (p < 0,05).

Dobrze wiadomo, że przy wystąpieniu stresu oksydacyjnego, jak w początkowych etapach podawania Doxorubicyny, czynnik jądrowy erytroidalny 2 (Nrf2) przemieszcza się do jądra, gdzie promuje ekspresję genów antyoksydacyjnych i ostatecznie łagodzi uszkodzenia oksydacyjne. Dane z RT-PCR w czasie rzeczywistym potwierdziły regulację w górę ekspresji genu Nrf2 w komórkach traktowanych Doxo w naszym modelu eksperymentalnym. Dodatkowo, analiza cytofluorymetryczna wykazała, że leczenie Doxo znacząco zwiększyło poziomy enzymów antyoksydacyjnych, w tym katalazy (CAT; p < 0,005), oksygenazy hemowej-1 (HO-1; p < 0,001) i dysmutazy ponadtlenkowej 2 (SOD2; p < 0,05), w porównaniu z komórkami kontrolnymi. Co istotne, wyniki wykazały, że współleczenie Simwastatyną znacząco zmniejszyło indukowaną przez Doxo nadekspresję Nrf2 (p < 0,01), a także regulację w górę poziomów enzymów antyoksydacyjnych (p < 0,05).

Zaburzenie wewnątrzkomórkowej homeostazy wapnia i zwiększone magazynowanie wapnia mitochondrialnego z konsekwentną depolaryzacją potencjału błony mitochondrialnej zostały dobrze ustalone w DIC. Dlatego przeanalizowano poziomy wapnia wewnątrzkomórkowego i potencjał błony mitochondrialnej, aby określić, czy współleczenie Simwastatyną może również łagodzić te efekty indukowane przez Doxo w modelu eksperymentalnym. Analiza spektrofluorymetryczna wykazała, że leczenie Doxo znacząco zwiększyło akumulację wapnia mitochondrialnego (p < 0,005) bez wpływu na poziom wapnia cytozolowego. Co więcej, analiza cytofluorymetryczna z wykorzystaniem barwnika fluorescencyjnego tetramethylrhodamine methyl ester (TMRE) wykazała znaczącą depolaryzację błony mitochondrialnej w komórkach traktowanych Doxo (p < 0,001). Współleczenie Simwastatyną znacząco odwróciło zarówno indukowane przez Doxo przeciążenie wapniem mitochondrialnym, jak i depolaryzację błony (p < 0,005).

Dobrze wiadomo, że stres oksydacyjny odgrywa znaczącą rolę w apoptozie, najczęstszym typie programowanej śmierci komórkowej w DIC. Wzrost poziomu mitochondrialnych ROS prowadzi do uszkodzenia błony mitochondrialnej, indukując tym samym apoptozę. Dane wykazały, że współleczenie Simwastatyną znacząco (p < 0,005) zmniejszyło indukowaną przez Doxo apoptozę, co wykazano poprzez analizę cytofluorymetryczną hipodiploidalnych jąder wykonaną przy użyciu jodku propidyny. Znaczące (p < 0,01) zmniejszenie uwalniania cytochromu c potwierdza ochronną rolę Simwastatyny w tym modelu eksperymentalnym.

Najnowsze badania wykazały, że kinaza MAP4K4 odgrywa centralną rolę w DIC, ponieważ jest zaangażowana w dysfunkcję mitochondrialną, a także w śmierć kardiomiocytów. Dlatego przeanalizowano ekspresję genu MAP4K4 w modelu eksperymentalnym, a uzyskane wyniki pokazały, że współleczenie Simwastatyną znacząco (p < 0,001) zmniejszyło indukowaną przez Doxo nadekspresję genu MAP4K4.

Kardiotoksyczność, odpowiedzialna za zwiększoną zachorowalność i śmiertelność wśród osób, które przeżyły raka, jest uznawana za najważniejszy długoterminowy efekt uboczny ograniczający kliniczne zastosowanie leku. Przewlekła kardiotoksyczność, która może wystąpić lata po zaprzestaniu stosowania leku i klinicznie objawia się jako kardiomiopatia rozstrzeniowa i niewydolność serca, była szeroko badana przez kardio-onkologów, a kilka terapii farmakologicznych stosowanych po wystąpieniu dysfunkcji serca związanej z terapią przeciwnowotworową zostało uznanych za skuteczne.

W ostatnim czasie środowisko naukowe skupiło się na badaniu ostrej kardiotoksyczności, ponieważ wykazano, że kardiotoksyczność wywołana przez Doxorubicynę ma wczesny początek, spowodowany uszkodzeniem kardiomiocytów indukowanym przy pierwszej ekspozycji na lek. Istotnie, wykazano, że kilka szlaków śmierci komórkowej jest aktywowanych podczas podawania Doxorubicyny, a coraz więcej dowodów wskazuje, że stres oksydacyjny, zaburzenie homeostazy wapnia i dysfunkcja mitochondrialna są zaangażowane w DIC.

Identyfikacja potencjalnych leków, które mogą zmniejszyć i/lub zapobiec sercowym skutkom ubocznym Doxo bez wpływu na jej skuteczność przeciwnowotworową, ma ogromne znaczenie. W tym badaniu oceniono kardioprotekcyjne efekty Simwastatyny w modelu in vitro krótkotrwałej DIC, zgodnie z podejściem repozycjonowania leków, które ma na celu identyfikację nowych wskazań terapeutycznych dla leków już obecnych na rynku, aby skrócić czas rozwoju i koszty.

Statyny są obiecujące jako środki ochronne w kardiotoksyczności związanej z leczeniem przeciwnowotworowym ze względu na ich plejotropowe efekty, zwłaszcza ich aktywność antyoksydacyjną. Ponadto, kilka badań wykazało kardioprotekcyjne efekty Simwastatyny w kardiotoksyczności wywołanej przez leki chemioterapeutyczne, a ostatnio wykazano, że Simwastatyna wzmacnia cytotoksyczne efekty Doxo w komórkach nowotworowych.

Ponieważ istnieje duża rozbieżność wśród stężeń statyn stosowanych w różnych badaniach, protokół eksperymentalny został zdefiniowany na podstawie wcześniejszych raportów. Test MTT został przeprowadzony, aby potwierdzić, że w warunkach eksperymentalnych wybrane stężenie Simwastatyny (10 μM) zmniejszyło śmierć komórek indukowaną przez Doxo bez wpływu na żywotność komórek, gdy była podawana sama. Co więcej, wykazano, że plejotropowe efekty statyn pojawiają się przy stężeniach 1-50 μM, nawet jeśli przy dawkach terapeutycznych średnie stężenie statyn w surowicy ludzkiej waha się od 1 do 50 nM.

Czy repozycjonowanie simwastatyny odmieni strategię leczenia kardiotoksyczności?

Mechanizmy, za pomocą których statyny zmniejszają stres oksydacyjny, nie zostały jasno wyjaśnione, ale zgromadzone wyniki sugerują zaangażowanie dwóch mechanizmów. W pierwszym przypadku, który głównie dotyczy statyn o strukturze lipofilnej, takich jak Simwastatyna i Atorwastatyna, został zaproponowany mechanizm obejmujący bezpośrednie wychwytywanie wolnych rodników. Statyny bezpośrednio neutralizują wolne rodniki, chroniąc tym samym struktury komórkowe przed uszkodzeniem oksydacyjnym. Drugi hipotetyczny mechanizm obejmuje hamowanie geranylogeranylacji Rac1. Statyny hamują ten kluczowy regulator kompleksu NADPH oksydazy, zmniejszając w ten sposób produkcję ROS. Dlatego przypuszcza się, że Simwastatyna zmniejsza stres oksydacyjny indukowany przez Doxo zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio.

W warunkach eksperymentalnych stwierdzono również, że współleczenie Simwastatyną znacząco łagodziło indukowaną przez Doxo regulację w górę ekspresji genu Nrf2, a także zwiększone poziomy enzymów antyoksydacyjnych (CAT, SOD2 i HO-1). Na pierwszy rzut oka te odkrycia mogą przeczyć licznym badaniom badającym strategie terapeutyczne mające na celu przeciwdziałanie indukowanemu przez Doxo stresowi oksydacyjnemu poprzez zwiększenie poziomów enzymów antyoksydacyjnych poprzez translokację jądrową Nrf2. Jednak dobrze wiadomo, że w warunkach prooksydacyjnych, takich jak te występujące podczas wczesnej fazy podawania Doxo i odtworzone w modelu eksperymentalnym, Nrf2 przemieszcza się do jądra, indukując tym samym ekspresję enzymów antyoksydacyjnych jako kompensacyjną odpowiedź na stres oksydacyjny. Dlatego proponuje się, że współleczenie Simwastatyną łagodzi stres oksydacyjny do takiego stopnia, że ta adaptacyjna odpowiedź nie jest już wymagana.

Co więcej, zaobserwowane zmniejszenie indukowanej przez Doxo nadekspresji HO-1 dodatkowo podkreśla ochronny efekt współleczenia Simwastatyną w tym modelu eksperymentalnym. Chociaż HO-1 jest ogólnie uważana za białko kardioprotekcyjne, jej regulacja w górę paradoksalnie była związana z uszkodzeniem serca, ponieważ jest ona zaangażowana w degradację hemu, co skutkuje uwolnieniem wolnego żelaza, które może wywołać ferroptosis, inny szlak śmierci komórkowej zaangażowany w uszkodzenie serca indukowane przez Doxo.

Wiadomo, że mitochondria są głównym celem Doxo, a uszkodzenie mitochondrialne jest cechą DIC, określaną jako wyznacznik, znacząco upośledzającą funkcję serca. Wcześniejsze badania wykazały, że Doxo powoduje przeciążenie Ca²⁺ w mitochondriach. Chociaż wychwyt Ca²⁺ przez mitochondria był uważany przede wszystkim za mechanizm bezpieczeństwa w przypadkach tymczasowego przeciążenia wewnątrzkomórkowego Ca²⁺, akumulacja netto Ca²⁺ w mitochondriach prowadzi do depolaryzacji błony mitochondrialnej i obrzęku mitochondrialnego z konsekwentnym uwolnieniem apoptogennej błony mitochondrialnej.

Zgodnie z wcześniejszym badaniem raportującym bezpośredni wpływ Simwastatyny na funkcje mitochondrialne, wykazano, że współleczenie Simwastatyną znacząco zmniejszyło indukowane przez Doxo przeciążenie wapniem mitochondrialnym, a także depolaryzację błony mitochondrialnej. Zaobserwowane zmniejszenie apoptotycznej śmierci komórek i uwolnienia cytochromu c potwierdziło ochronne efekty Simwastatyny w tym modelu eksperymentalnym.

Kilka badań doniosło, że kinaza serynowo/treoninowa, kinaza kinazy kinazy kinazy kinazy-4 (MAP4K4), odgrywa kluczową rolę w DIC, ponieważ jest wymagana do śmierci komórek indukowanej przez stres oksydacyjny. Co więcej, niedawne badanie wykazało, że hamowanie MAP4K4 wywiera ochronne efekty w ostrej kardiotoksyczności indukowanej przez Doxo poprzez zmniejszenie apoptozy, tym samym zachowując depolaryzację błony mitochondrialnej i fluktuacje wapnia, poprawiając funkcje kardiomiocytów. Chociaż kilka badań doniosło o związku między statynami a sygnalizacją MAPK, dane wstępne głównie pokazały, że współleczenie Simwastatyną znacząco zmniejsza indukowaną przez Doxo ekspresję genu MAP4K4.

Czy Simwastatyna odmienia przyszłość chemioterapii?

Podsumowując, wyniki badania sugerują, że Simwastatyna może skutecznie łagodzić ostre kardiotoksyczne efekty Doxorubicyny. W modelu in vitro wykazano, że współleczenie Simwastatyną zmniejsza stres oksydacyjny, poprawia funkcję mitochondrialną, zapobiega przeciążeniu wapniem i ogranicza aktywację szlaków apoptotycznych indukowanych przez Doxorubicynę w ludzkich kardiomiocytach. Co istotne, zaobserwowano, że Simwastatyna znacząco obniża ekspresję genu MAP4K4, kinazy zaangażowanej w uszkodzenie serca indukowane stresem oksydacyjnym. Chociaż dane są ograniczone do ekspresji mRNA, to odkrycie podnosi możliwość, że Simwastatyna może wywierać niektóre ze swoich kardioprotekcyjnych efektów poprzez modulację MAP4K4, hipotezę, która wymaga dalszych badań na poziomie białka i funkcji.

Wyniki te wzmacniają uzasadnienie dla repozycjonowania Simwastatyny, szeroko stosowanego i dobrze tolerowanego leku, jako środka kardioprotekcyjnego w kontekście chemioterapii opartej na Doxorubicynie. Biorąc pod uwagę jej plejotropowe właściwości, szczególnie aktywność antyoksydacyjną, Simwastatyna może oferować obiecującą strategię terapeutyczną dla zapobiegania dysfunkcji serca związanej z chemioterapią bez kompromisów w zakresie skuteczności przeciwnowotworowej. Jednakże, dalsze badania in vivo i badania kliniczne będą niezbędne do potwierdzenia tych wyników i ustalenia ich potencjału translacyjnego.

Podsumowanie

Badania wykazały, że Simwastatyna może skutecznie chronić serce przed toksycznym działaniem Doxorubicyny, szeroko stosowanego chemioterapeutyku. Kardiotoksyczność wywołana Doxorubicyną (DIC) dotyka około 25% pacjentów i może prowadzić do poważnych powikłań sercowo-naczyniowych. Mechanizm ochronny Simwastatyny polega na redukcji stresu oksydacyjnego, poprawie funkcji mitochondrialnej oraz zapobieganiu przeciążeniu wapniem w komórkach serca. Istotnym odkryciem jest również wpływ Simwastatyny na obniżenie ekspresji genu MAP4K4, kluczowego w procesie uszkodzenia serca. Wyniki badań sugerują, że repozycjonowanie Simwastatyny jako środka kardioprotekcyjnego podczas chemioterapii może stanowić przełom w onkologii, oferując skuteczną ochronę serca bez zmniejszania efektywności przeciwnowotworowej leczenia. Konieczne są jednak dalsze badania kliniczne potwierdzające te obiecujące rezultaty.