癌特異的炭酸脱水酵素IXの高選択的阻害剤としてのスルホンアミドカルボランの開発

Sulfonamido carboranes as highly selective inhibitors of cancer-specific carbonic anhydrase IX.

• Jana Dvořanová
• Michael Kugler
• Josef Holub
• Václav Šícha
• Viswanath Das
• Jan Nekvinda
• Suzan El Anwar
• Miroslav Havránek
• Klára Pospíšilová
• Milan Fábry
• Vlastimil Král
• Martina Medvedíková
• Stanislava Matějková
• Barbora Lišková
• Soňa Gurská
• Petr Džubák
• Jiří Brynda
• Marián Hajdúch
• Bohumír Grüner
• Pavlína Řezáčová

抄録

炭酸脱水酵素IX（CA IX）は、低酸素性腫瘍で過剰発現する膜貫通酵素であり、腫瘍の進行に重要な役割を果たしている。特定のCA IX阻害剤は、抗がん剤としての役割を果たす可能性がある。私たちは、酵素活性部位へのカルボラン結合に関する先行研究に基づき、カルボランクラスターを含む一連のスルホンアミド系阻害剤を設計しました。12-vertexのジカルバ-クロソ-ドデカボランと11-vertexの7,8-ジカルバ-ニド-ウンデカボレート（ジカルボライド）の2種類のカルボランクラスターを、長さの異なる脂肪族リンカーを介してスルホンアミド部位に連結した（炭素原子数1～4個、n=1～4）。CA阻害力のインビトロ試験により、CA IXの選択的阻害のための最適なリンカー長はn=3であることが明らかになった。1-スルファミドプロピル-1,2-ジカルバ-クロソ-ドデカボラン(3)は、このシリーズの中で最も強力なCA IX阻害剤であり、K値は0.5nMであり、CA IIに対するCA IXの選択性は約1230倍であった。化合物3のX線研究により、CA IX活性部位内での結合様式が明らかになった。化合物3は、2次元培養において、がん細胞株および初代細胞株に対して中程度の細胞毒性を示した。多細胞スフェロイドに対する細胞毒性も観察された。さらに、3は2D培養およびスフェロイドの両方で細胞表面上のCA IXの量を有意に低下させ、ドキソルビシンの浸透を促進した。3はマウスの腫瘍サイズには中程度の効果しかなかったが、マウスでは良好なADME特性と薬物動態が観察され、血清よりも脳に優先的に存在していた。

Carbonic anhydrase IX (CA IX) is a transmembrane enzyme overexpressed in hypoxic tumors, where it plays an important role in tumor progression. Specific CA IX inhibitors potentially could serve as anti-cancer drugs. We designed a series of sulfonamide inhibitors containing carborane clusters based on prior structural knowledge of carborane binding into the enzyme active site. Two types of carborane clusters, 12-vertex dicarba-closo-dodecaborane and 11-vertex 7,8-dicarba-nido-undecaborate (dicarbollide), were connected to a sulfonamide moiety via aliphatic linkers of varying lengths (1-4 carbon atoms; n = 1-4). In vitro testing of CA inhibitory potencies revealed that the optimal linker length for selective inhibition of CA IX was n = 3. A 1-sulfamidopropyl-1,2-dicarba-closo-dodecaborane (3) emerged as the strongest CA IX inhibitor from this series, with a K value of 0.5 nM and roughly 1230-fold selectivity towards CA IX over CA II. X-ray studies of 3 yielded structural insights into their binding modes within the CA IX active site. Compound 3 exhibited moderate cytotoxicity against cancer cell lines and primary cell lines in 2D cultures. Cytotoxicity towards multicellular spheroids was also observed. Moreover, 3 significantly lowered the amount of CA IX on the cell surface both in 2D cultures and spheroids and facilitated penetration of doxorubicin. Although 3 had only a moderate effect on tumor size in mice, we observed favorable ADME properties and pharmacokinetics in mice, and preferential presence in brain over serum.

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