トポイソメラーゼ阻害剤

トポイソメラーゼ阻害剤は、トポイソメラーゼの作用を阻害する化合物であり、トポイソメラーゼは、I型トポイソメラーゼ（TopI）とII型トポイソメラーゼ（TopII）の2つの大まかなサブタイプに分類されます。^{[1] [2] [3]トポイソメラーゼは、一本鎖および二本鎖DNAの切断を仲介してスーパーコイルを緩和し、}カテナンを解き、真核細胞内で染色体を凝縮するため、細胞の再生とDNAの構成に重要な役割を果たします。 ^{[1] [2] [3]}トポイソメラーゼ阻害剤は、これらの重要な細胞プロセスに影響を及ぼします。一部のトポイソメラーゼ阻害剤は、トポイソメラーゼによるDNA鎖切断を阻害しますが、トポイソメラーゼ毒とみなされる他の阻害剤は、トポイソメラーゼ-DNA複合体と結合して、トポイソメラーゼ機構の再連結ステップを阻害します。^[3]これらのトポイソメラーゼ-DNA阻害剤複合体は細胞毒性物質であり、修復されない一本鎖および二本鎖DNAの切断を引き起こし、アポトーシスと細胞死を引き起こす可能性がある。^{[2] [3]}このアポトーシス誘導能力のため、トポイソメラーゼ阻害剤は感染細胞や癌細胞に対する治療薬として関心を集めている。

1940年代には、アルバート・シャッツ、セルマン・A・ワックスマン、H・ボイド・ウッドラフなどの研究者によって抗生物質発見の分野で大きな進歩が遂げられ、新しい抗生物質の探索に多大な努力が注がれるようになりました。^{[4] [5] [6] [7] 20世紀半ばから後半にかけての抗生物質と抗癌剤の探索研究では、TopIとTopII阻害剤の両方の数多くのユニークなファミリーの存在が明らかになり、1960年代だけでも}カンプトテシン、アントラサイクリン、エピポドフィロトキシンなどのクラスが発見されました。^[8]最初のトポイソメラーゼ阻害剤に関する知識、および抗癌剤や抗生物質としてのその医療的可能性は、1971年にジム・ワンが最初のトポイソメラーゼ（大腸菌オメガタンパク質、TopI）を発見するよりも前に遡ります。 ^{[9] [10] [11]} 1976年に、ゲラートらは細菌TopII DNAジャイレースの発見を詳しく説明し、クマリンおよびキノロンクラスの阻害剤を導入した場合のその阻害について議論し、トポイソメラーゼを標的とした抗生物質および抗腫瘍剤への関心を高めました。^{[3] [12]キノロンの}ナリジクス酸が、それが結合する細菌TopIIタンパク質の解明に役立ったように、トポイソメラーゼ阻害剤はいくつかのトポイソメラーゼの発見に貢献した重要な実験ツールとして使用されました。 ^[11]トポイソメラーゼ阻害剤のクラスは、多種多様な異なる源から派生しており、その中には植物（カンプトテシン、^[10] エトポシド^[13]）または細菌サンプル（ドキソルビシン、^[14] インドロカルバゾール^[15]）から最初に抽出された天然物もあれば、純粋に合成された、多くの場合は偶然の起源を持つものもあります（キノロン、^[11]インデノイソキノリン^[16]）。 これらのクラスの構造は、最初の発見の後、より安全で、より効果的で、より簡単に投与できる変種を作るために、誘導体の作成を通じて微調整されてきました。^{[10] [11] [16] [17]}現在、トポイソメラーゼ阻害剤は、医療現場で使用されている抗生物質や抗癌剤の中で重要な位置を占めており、ドキソルビシン（アントラサイクリン、TopII阻害剤^[14]）、エトポシド（TopII阻害剤^[13]）、シプロフロキサシン（フルオロキノロン、TopII阻害剤^[18]）、イリノテカン（カンプトテシン誘導体、TopI阻害剤^[19]）はすべて2019年WHO必須医薬品モデルリストに含まれていました。^[20]

TopIは、複製および転写中にDNAのスーパーコイルを緩和する。 ^{[21] [2]}通常の状況下では、TopIはDNAのバックボーンを攻撃し、一時的なTopI-DNA中間体を形成し、これにより切断された鎖がらせん軸の周りを回転できるようになる。次に、TopIは切断された鎖を再連結して二重鎖DNAを再構築する。^{[22] [2]} TopI阻害剤による治療は、中間体の切断可能な複合体を安定化させ、DNAの再連結を防ぎ、致死的なDNA鎖切断を誘発する。^{[22] [23]} カンプトテシン由来のTopI阻害剤は、TopI-DNAと三量体複合体を形成することで機能し、平面構造のため、切断部位の両側の塩基対の間に積み重ねることができる。^[24]正常な細胞には、これらの安定化複合体の除去を開始して細胞死を防ぐことができる複数のDNAチェックポイントがある。しかし、癌細胞では、これらのチェックポイントは通常不活性化されており、TopI阻害剤に対して選択的に感受性になります。^{[22] [23]インデノイソキノリンや}インドロカルバゾールなどの非カンプトテシンもTopI自体と結合し、通常カンプトテシンに対する耐性を付与する残基と水素結合を形成します。^[24]インデノイソキノリンとインドロカルバゾールには、カンプトテシンに存在するラクトン環がないため、化学的に安定しており、生物学的pHで加水分解されにくくなります。 ^[22]

カンプトテシン（CPT）は、中国南部原産のカンプトテカ・アキュミナタという木から初めて抽出されました。 ^{[25] [10] [26]} これは、1950年代後半に米国農務省（USDA）主導のコルチゾン前駆物質の探索で単離され、1960年代初頭に癌化学療法国立サービスセンターのジョン・ハートウェル博士とそのチームにより抗癌活性が調査されました。^[10] 1970年代の臨床試験では、CPTの溶解性を高めるためにナトリウム塩に変換されましたが、化合物の毒性のために臨床試験は成功しませんでした。^{[27] [28] [19]} 1985年になって初めて、Hsiangらはトポイソメラーゼ弛緩アッセイにより、CPTの抗腫瘍活性はそのTopI阻害活性によるものであると推測しました。^[29] Cushmanら（2000）は、CPTおよび非CPT TopI阻害剤インデノイソキノリンを含む実験でDNAの巻き戻しが観察されなかったことから、これらの阻害剤はDNAインターカレーションを伴うメカニズムを介して機能していない可能性が高いと考えたと述べています。^{[16]この仮説は、} X線結晶構造解析に基づくモデルによってTopI阻害剤DNAインターカレーションの可視化が可能になったため、反証されました。 ^[30]

CPTの重要な構造的特徴の1つは、平面状の五環とラクトン環（E環）である。^[31]ラクトン環は薬物の活性型を生成すると考えられているが、加水分解を受けやすく、機能の喪失を引き起こすことが多い。^{[32] CPTの発見により、現在FDAに承認されている3つの誘導体、}トポテカン（TPT）、イリノテカン、ベロテカンが合成された。^{[19] [33]} TPTは卵巣癌や小細胞肺癌（SCLC）の治療によく使用され、イリノテカンは結腸癌を改善することが知られている。^{[34] [19]通常、TPTは}シクロホスファミド、ドキソルビシン、ビンクリスチンなどの薬剤と組み合わせて使用​​される。^[34] TPTによるIV治療は経口薬と同様の反応および生存率を示したことが指摘されている。^{[34]さらに、放射線療法を併用したTPT治療は}脳転移患者の生存率を改善できることが示されています。ベロテカンは、SCLCの治療に使用される最近のCPT誘導体です。^{[35]ギマテカン}やシラテカンなどのCPT誘導体に関するいくつかの臨床試験が進行中です。 [35] 現在、シラテカンはベバシズマブ治療を受けていない成人の神経膠肉腫の治療薬として第2相試験が行われています。^[36]

多くのCPT誘導体の臨床的成功にもかかわらず、それらは長時間の点滴を必要とし、水溶性が低く、一時的な肝機能障害、重度の下痢、骨髄損傷などの多くの副作用を有する。^[28]さらに、CPTに対するTopI耐性を促すことが示されている単一点突然変異の観察が増加している。^[37]そのため、臨床的に関連する3つの非CPT阻害剤、インデノイソキノリン、フェナントリジン、およびインドロカルバゾールが、現在FDAによって化学療法の候補として検討されている。^[19] 非CPT阻害剤の中で、インドロカルバゾールが最も有望であることが示されている。これらの阻害剤は、CPTと比較して独自の利点を有する。第一に、ラクトンE環がないため、化学的に安定している。^[19]第二に、インドロカルバゾールはDNAの異なる部分でTopIに結合^[38]そのため、TopI阻害剤複合体が解離する可能性が低いため、より短い注入時間で済みます。^{[19] [38]}現在、他のいくつかのインドロカルバゾールも臨床試験中です。^{[39]インドカルバゾール以外では、トポバレ（ARC-111）が最も臨床的に開発された}フェナントリジンの1つと考えられています。これらは大腸がんとの戦いでは有望ですが、乳がんに対する有効性は限られています。^[40]

トポイソメラーゼ阻害剤のインドロカルバゾールファミリーの最初のメンバーであるBE-13793Cは、1991年にKojiriらによって発見されました。^{[15]これは、} Streptoverticillium mobaraenseに似た放線菌によって生産され、 DNA緩和アッセイにより、BE-13793CはTopIとTopIIの両方を阻害できることが明らかになりました。^[15]その後すぐに、TopI特異性を持つより多くのインドロカルバゾールの変異体が発見されました。^[41]

Cushmanら（1978）は、最初のインデノイソキノリンであるインデノ[1,2-c]イソキノリン（NSC 314622）の発見について詳しく述べています。これは、トポイソメラーゼを阻害しない抗癌剤である塩化ニチジンを合成する試みで偶然作られました。^{[16] [38] [42]}インデノイソキノリンの抗癌作用に関する研究は、CPTクラスの代替品への関心が高まるにつれて、90年代後半まで中止されました。^{[16]それ以来、効果的な誘導体の開発研究は、パデュー大学の}マーク・クッシュマン博士や国立癌研究所のイヴ・ポミエ博士などの研究者によって先導されてきました。 ^{[16] [43] [44]} 2015年現在、インデノ[1,2-c]イソキノリン誘導体であるインドテカン（LMP-400）とインディミテカン（LMP-776）は、再発性固形腫瘍およびリンパ腫の治療薬として第1相臨床試験中であった。^{[45] [46]}

TopIIはホモ二量体を形成し、二本鎖DNAを切断し、その隙間に2本目のDNA二重鎖を巻き付けて鎖を再連結する。 ^{[2] TopIIは}細胞増殖  に必要であり、癌細胞に豊富に存在するため、TopoII阻害剤は抗癌治療に効果的である。^{[2] [23]} さらに、キノロン、フルオロキノロン、クマリンなどの一部の阻害剤は、細菌の2型トポイソメラーゼ（ TopoIVおよびジャイレース）にのみ特異的であるため、効果的な抗生物質となる。^{[47] [48] [7]} 臨床用途に関係なく、TopoII阻害剤は触媒阻害剤または毒物に分類される。TopoII触媒阻害剤はTopoIIのN末端 ATPaseサブユニットに結合し、分離されたDNA鎖がTopII二量体から放出されるのを防ぐ。^[49] これらの阻害剤のメカニズムは多様である。例えば、ICRF-187は真核生物のTopoIIのN末端ATPaseに非競合的に結合しますが、クマリンはジャイレースのBサブユニットATPaseに競合的に結合する。 ^{[7] [49]} あるいは、TopoII毒は、共有結合性のTopII-DNA切断複合体の形成を促進するか、切断された鎖の再連結を阻害することによって、致死的なDNA鎖切断を引き起こす。^[23]ドキソルビシン などの一部の毒は、TopII-DNA中間体を挟む塩基対間の鎖切断に挿入されると提案されている。^[50]エトポシドなどの他の毒は、TopIIの特定のアミノ酸と相互作用して、TopII-DNA中間体と安定した三元複合体を形成する。 ^[51]

アミノクマリン（クマリンおよびシモサイクリノン）とキノロンは、抗生物質として機能するTopII阻害剤の2つの主要なクラスです。^[48]アミノクマリンはさらに2つのグループに分けられます。

1. 伝統的なクマリン
2. シモサイクリオナー

ノボビオシンやクメルマイシンを含むクマリン類は、ストレプトマイセス属の天然物で、細菌酵素DNA ジャイレース(TopII) を標的とする。^{[7] [48]}機構的には、阻害剤はジャイレースの B サブユニット (gyrB) に結合し、ATPase 活性を阻害する。^{[52] [7] [48]}これは、薬剤が酵素の安定した構造を作り出し、DNA スーパーコイル形成に必要な ATP に対する親和性が低いためである。^[7]薬剤は競合阻害剤として機能すると提案されている。したがって、高濃度では、ATP が薬剤に勝る。^[7]従来のクマリンの限界の 1 つは、変異により gyrB が抗生物質耐性を付与し、その結果、阻害剤の結合能力と細胞死誘導能力が低下することである。^{[48] [53]}

シモサイクリノンはTopII抗生物質の別のクラスですが、アミノクマリンとポリケチド要素の両方で構成されている点でアミノクマリンとは異なります。また、ATPase活性を阻害する代わりにDNAジャイレースのDNAへの結合能力を阻害し、いくつかの抗生物質クラスを生成します。^[30]これらの抗生物質は、さらにアクチノマイシンAとアクチノマイシンBの2つのグループに分けられます。 ^{[30]アクチノマイシンAとアクチノマイシンBは両方とも}グラム陽性細菌を殺すのに非常に効果的であることが示されています。シモサイクリノンは効果的な抗生物質ですが、研究により、シモサイクリノラーの1つの株であるS. antibioticusがストレプトマイセスに抗生物質を生成させることが示されています。^[54]

キノロンは、ヒトの細菌感染症に最も一般的に使用される抗生物質の一つであり、尿路感染症、皮膚感染症、性感染症（STD）、結核、一部の炭疽菌感染症などの病気の治療に使用されています。^{[53] [30] [10]キノロンの有効性は、}アポトーシスにつながる活性酸素種の蓄積を開始する染色体断片によるものであると考えられています。^[53]キノロンは4つの世代に分けられます。

1. 第一世代：ナリジクス酸^[11]
2. 第二世代：シノキサシン、ノルフロキサシン、シプロフロキサシン^[11]
3. 第3世代：レボフロキサシン、スパルフロキサシン^[11]
4. 第4世代：モキシフロキサシン^[11]

最初のキノロンは1962年にジョージ・レッシャーと彼の同僚らがスターリングドラッグ（現在はサノフィが所有）で抗マラリア薬クロロキンの製造中に集められた不純物として発見した。 ^{[13] [55] [47]}この不純物はナリジクス酸の開発に使用され、1964年に臨床的に利用可能になった。 ^[13]その斬新な構造とメカニズムに加え、ナリジクス酸はグラム陰性菌として活性があり、経口投与が可能で、合成が比較的簡単（キノロン系薬剤に共通する特徴）であることから有望視された。^{[55] [11]}これらの特徴にもかかわらず、ナリジクス酸は活性スペクトルが狭いため、尿路感染症の治療にのみ用いられることとなった。^{[13] [55] [11]}新しい世代の薬剤は、フッ素とメチルピペラジンが追加され、ジャイレース標的化が改善されたためフルオロキノロンに分類される（TopII）。^[10]この追加されたフッ素置換基は、キノロン環の電子密度を変化させることにより、フルオロキノロンがTopII切断DNAに挿入される際に塩基スタッキングを助けると提案されている。^[56]フルオロキノロンサブクラスの最初のメンバーであるノルフロキサシンは、1978年に製薬会社キョーリンの古賀と同僚によって発見された。 ^[11]ノルフロキサシンは、標準的なキノロンよりも高い抗グラム陰性効力を持ち、ある程度の抗グラム陽性効果を示した。^[55]血清レベルと組織浸透能力はどちらも低いことが判明し、より優れた活性スペクトルを持つフルオロキノロンであるシプロフロキサシンの開発に影を潜めてしまった。^[47]フルオロキノロンは、幅広い微生物標的に効果があることが証明されており、第3世代および第4世代の薬剤の中には、抗グラム陽性菌と抗エラスチンの両方の能力を持つものがある。^[11]

現在、米国食品医薬品局（FDA）は、モキシフロキサシン、デラフロキサシン、シプロフロキサシン、シプロフロキサシン徐放性、ゲミフロキサシン、レボフロキサシン、オフロキサシンの8つの新世代フルオロキノロンに関する最新情報を公開しています。^{[18]新しいフルオロキノロンは、}低血糖、高血圧、および興奮、神経過敏、記憶障害、せん妄などの精神的健康への影響を引き起こす可能性があることが観察されています。 ^{[57] [18]}

キノロンは抗生物質として成功しているが、小さな変異の蓄積と、不要な薬剤を細胞外に排出する多剤排出機構のために、その有効性は限られている。 ^{[10]特に、より小さなキノロンは、}大腸菌と黄色ブドウ球菌の多剤排出ポンプに高い親和性で結合することが示されている。^{[58] [59] [19]}キノロンはTopIIを標的とする能力があるにもかかわらず、生物とキノロンの種類によってはTopIVも阻害する可能性がある。^{[10]さらに、} gyrB領域での変異の発見は、キノロン系抗生物質耐性を引き起こすと仮定されている。^{[10] [60]具体的には、}アスパラギン酸（D）からアスパラギン（N）への変異とリジン（K）からグルタミン酸（E）への変異が相互作用を阻害し、三次構造の一部の損失につながると考えられている。^{[10] [60]}

機構的には、その後反証された Shen ら (1989) のキノロン阻害剤結合モデルでは、各 DNAgyrase-DNA 複合体において、4 つのキノロン分子が疎水性相互作用を介して互いに会合し、分離された一本鎖 DNA セグメントの塩基と水素結合を形成すると提唱されている。^{[11] [61] [56]} Shen らは、緩和された二本鎖 DNA と比較して一本鎖 DNA へのキノロン結合の親和性と部位特異性の増加に関する観察に基づいて仮説を立てた。^[61] Shen らのモデルの修正版は、2000 年代半ばから後半にかけて依然として可能性のあるメカニズムと見なされていたが^{[11] [62]}、2009 年に開発された阻害剤-DNA-TopII 複合体安定中間体の X 線結晶構造解析に基づくモデルは、それ以来この仮説に反している。^{[63] [56]}この新しいモデルは、2つのキノロン分子がTopIIによって作られた2つのDNA切断部位に挿入されることを示唆しており、Leoら（2005）が提唱した仮説と一致している。^{[64] [56] [47]}

TopII阻害剤には、毒物と触媒阻害剤という2つの主な分類があります。^{[65] [62]} TopII毒物は、DNAと不可逆的な共有結合を形成する能力が特徴です。^[62]さらに、TopII毒物は、挿入毒物と非挿入毒物の2つのグループに分けられます。^{[62] [8]挿入毒物の中で最も医学的に普及しているタイプの1つである}アントラサイクリンファミリーは、その多様な派生によりさまざまな癌を治療することができ、他の化学療法薬と組み合わせて処方されることがよくあります。^{[14] [62]}

最初のアントラサイクリン（ドキソルビシン）は、1960年代に細菌ストレプトマイセス・ペウセティウス^{から単離されました。 [14] [17]}アントラサイクリンは、4つのヘキサン環の核で構成されており、そのうちの中央の2つはキノン環とヒドロキノン環です。ヒドロキノンに隣接する環は、ダウノサミン糖とさまざまな側鎖を持つカルボニルの2つの置換基に結合しています。^[17]現在、医療用に使用されている主なアントラサイクリンは以下の4つです。

1. ドキソルビシン
2. ダウノルビシン（ドキソルビシンの前駆体）
3. エピルビシン（ドキソルビシンの立体異性体）
4. イダルビシン（ダウノルビシン誘導体）^[17]

イダルビシンは極性サブユニットが少なく親油性が高いため、ダウノルビシンやドキソルビシンよりも細胞膜を通過しやすい。^{[17] [66]イダルビシンにはない}ヒドロキシル基とメトキシ基を持つドキソルビシンは、リン脂質膜の表面で水素結合凝集体を形成し、細胞内への侵入能力をさらに低下させる可能性があると推測されている。^[66]

これらの毒物の成功にもかかわらず、相互作用毒物には、1)小さな化合物の阻害剤としての効果がほとんどないこと、2)アントラサイクリンの膜損傷や酸素フリーラジカル生成による二次癌などの副作用、3)うっ血性心不全など、いくつかの限界があることが示されています。^[62]ドキソルビシンや他のアントラサイクリンの使用に関連する有害な酸素フリーラジカルの生成は、部分的には、キノン部分が酸化還元酵素によって媒介される酸化還元反応を起こし、スーパーオキシドアニオン、過酸化水素、ヒドロキシルラジカルを形成することに起因します。^{[17] [14]} NADHヒドロゲナーゼを含むミトコンドリア電子伝達系経路は、これらの酸化還元反応の潜在的な原因の1つです。^[17]このような相互作用によって生成される活性酸素種は、タンパク質キナーゼA、タンパク質キナーゼC、および心筋細胞のカルシウムイオンチャネルを制御する上で不可欠なキナーゼであるカルシウム/カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼII（CaMKII）を利用する細胞シグナル伝達経路を妨害する可能性があります。^[14]

TopII毒の別のカテゴリーは、非挿入毒として知られています。主な非挿入TopII毒はエトポシドとテニポシドです。これらの非挿入毒は、転写と複製を阻害することで、DNA内の原核生物のTopIIを特異的に標的とします。^[62]研究では、非挿入毒がTopII-DNA共有結合複合体を閉じ込める上で重要な役割を果たすことが示されています。^[62]エピポドフィロトキシンの半合成誘導体であるエトポシドは、このアポトーシスメカニズムの研究によく使用され、次のものが含まれます。

1. エトポシド
2. テニポシド

エトポシドとテニポシドは両方ともポドフィロトキシンの天然に存在する半合成誘導体であり、TopII活性を阻害する働きをする重要な抗癌剤である。^[67]エトポシドは、北米のメイアップル植物と北米のマンドレイク植物に含まれるポドフィルム抽出物から合成される。より具体的には、ポドフィロトキシンは、ミトチューブラーアセンブリを阻害することによって有糸分裂を阻害する紡錘体毒である。これに関連して、エトポシドは、DNAとTopIIとの相互作用を介してDNA鎖を切断するか、フリーラジカルを形成することによって、有糸分裂前段階（S期後期およびG2期）での細胞周期の進行を阻害する働きをする。^{[13] [68]エトポシドは、}小細胞肺癌（SCLC）、精巣癌、悪性リンパ腫に対する最も有効な薬剤の1つであることがわかっている。^[要出典]研究では、この薬が小細胞気管支癌、生殖細胞悪性腫瘍、急性非リンパ性白血病、ホジキン病、非ホジキンリンパ腫に大きな治療効果があることが示されています。^[69]さらに、研究では、エトポシド誘導体で治療した場合、通常の造血要素とは異なる抗白血病用量反応があることが示されています。エトポシドはスケジュールに大きく依存する薬で、通常は経口投与され、効果的な治療のためには2倍の用量を服用することが推奨されています。^{[13] [68]ただし、選択的な用量では、エトポシド治療は用量制限があり、}骨髄抑制（白血球減少症）や主に血液学的な毒性作用が示唆されています。^{[13] [69]}さらに、推奨用量を服用した患者の約20～30％に、脱毛症、吐き気、嘔吐、口内炎などの血液症状が現れることがあります。^[13]副作用にもかかわらず、エトポシドは多くの疾患に効果があることが実証されており、これらの癌関連疾患の併用化学療法レジメンに貢献する可能性があります。^[13]

同様に、テニポシドも白血病の治療に役立つ薬剤です。テニポシドはエトポシドと非常によく似ており、どちらも段階特異的で、細胞周期のS期後期からG2期初期に作用します。^[70]しかし、テニポシドはエトポシドよりもタンパク質に結合しています。^[70]さらに、テニポシドはエトポシドと比較して、細胞への取り込み、効力、結合親和性が高くなっています。研究では、テニポシドは活性抗腫瘍剤であることが示されており、臨床現場でテニポシドの有効性を評価するために使用されています。^[70]欧州がん研究治療機構（EORTC）と肺がん共同グループ（LCCG）が実施した研究では、テニポシドの毒性の結果、エトポシドと同様の血液学的および軽度の症状が示されました。^[70]しかし、この研究では、SCLCの脳転移患者の治療結果は生存率と改善率が低かったことがわかりました。^[70]

TopII毒の機能は完全には解明されていないが、挿入毒と非挿入毒の間には構造特異性に違いがあるという証拠がある。2つの毒の分類の違いは、その生物学的活性とTopII-DNA共有結合複合体の形成における役割に依存することが知られている。^[71]より具体的には、この違いはDNAのクロモフォアフレームワークと塩基対の間に生じる。^[71]その構造特異性の結果として、抗生物質間で化学増幅にわずかな違いが見られる。^[71]したがって、これはこれらの薬が患者に対して臨床活性に違いを示す理由を説明する。^[71]

構造特異性の違いにもかかわらず、どちらも抗がん剤耐性をもたらす変異を示しています^{[71]挿入毒に関連して、}アントラサイクリンファミリーには再発性の体細胞変異があることがわかりました。 ^[72]研究では、DNAメチルトランスフェラーゼ3A（DNMT3A）で最も頻繁に見られる変異はアルギニン882（DNMT3AR882）で見られます。^[72]この変異は、最初は化学療法に反応しますが、その後再発することで、急性骨髄性白血病（AML）患者に影響を与えます。 [72] DNMT3AR882細胞の持続は造血幹細胞の増殖を誘発し、アントラサイクリン化学療法に対する耐性を促進します。 [ ^{72 ]}

非挿入毒物に生じる特定の突然変異に関する研究は十分ではないが、いくつかの研究では、ヒト白血病細胞（HL-60）に特有のエトポシド耐性に関するデータが提示されている。^[73] R. Ganapathiらは、TopII活性の変化と薬物蓄積の減少が、エピポドフィロトキシンおよびアントラサイクリンに対する腫瘍細胞の耐性に影響を与えると報告した。^[14] TopII活性のレベルは、薬物感受性の重要な決定要因であると提案されている。^[74]この研究では、カルシウムキレート剤（1,2-ビス-（2-アミノフェノキシ）エタン-N,N,N',N'-テトラ酢酸アセトキシメチルエステル）で処理した場合のHL-60細胞のTopIIの低リン酸化により、エトポシド誘発性のTopII媒介DNA切断複合体形成が2倍以上減少することも示された。^[14]科学者らは、これがエトポシド薬剤耐性とHL-60細胞の低リン酸化との間のもっともらしい関係である可能性があることを示唆している。^[14]さらに、松本義人らが報告した研究では、エトポシドおよびm-アムサクリン（mAMSA）耐性細胞株のTopIIα mRNAの変異および欠失の発生率が示されている。^[75] TopIIαは活性および発現の低下と多剤耐性タンパク質（MRP）レベルの上昇を示した。その結果、エトポシドおよび他のTopII毒物に対する細胞内標的が減少した。^{[75]さらに、耐性細胞からのTopIIαの}リン酸化は親細胞と比較してより低リン酸化されており、C末端ドメインに位置するリン酸化部位が失われていることが判明した。 ^[75]他の情報源でも同様の傾向が見られ、エトポシド耐性細胞におけるTopIIの過剰リン酸化と、これらのエトポシド耐性細胞に存在するTopIIαのアミノ酸残基Ser861-Pheに変異があることが報告されている。^[74]

触媒阻害剤は、TopII阻害剤のもう一つの主な同定である。一般的な触媒阻害剤はビスジオキソピペラジン化合物であり、時にはTopII毒に対して競合的に作用する。それらは細胞内の酵素を標的とし、DNA複製や染色体動態などの遺伝プロセスを阻害する。^[76]さらに、触媒毒はATPaseとDNA鎖の通路を妨害し、DNA中間体共有結合複合体の安定化につながる。^[77]これらのユニークな機能のため、研究ではビス（2,6-ジオキソピペラジン）が抗腫瘍抗生物質によって引き起こされる心臓毒性の問題を解決できる可能性があることが示唆されている。^[78]さらに、前臨床および臨床の場では、ビス（2,6-ジオキソピペラジン）はTopII毒の副作用を軽減するために使用されている。^[78] TopIIを標的とする一般的な触媒阻害剤としては、デクスラゾキサン、ノボビオシン、メルバロン、アントリサイクリン、アクラルビシンなどがある。

1. デクスラゾキサン
2. ノボビオシン
3. メルバローネ
4. アントリサイクリン アクラルビシン

デクスラゾキサンはICRF-187としても知られ、現在、アントロサイクリン媒介性心毒性を標的にして予防し、アントロサイクリンの血管外漏出後の組織損傷を予防するために癌患者に使用される唯一の臨床承認薬です。 ^{[79] [80]デクスラゾキサンは、TopIIとその}鉄恒常性調節への影響を阻害する働きがあります。 ^{[80]デクスラゾキサンは、鉄キレート、}化学保護、心臓保護、抗腫瘍活性を持つビスジオキソピペラジンです。 ^[81]

ノボビオシンは、カトマイシン、アルバマイシン、ストレプトニビシンとしても知られ、DNAジャイレースに結合してATPase活性を阻害するアミノクマリン系抗生物質化合物です。 ^[82]競合阻害剤として作用し、Hsp90とTopIIを特異的に阻害します。^{[83]ノボビオシンは、}転移性乳がんの臨床試験、非小細胞肺がん細胞、およびナリジクス酸と併用した乾癬の治療に研究され、使用されています。さらに、グラム陽性菌による感染症の治療薬として定期的に使用されています。^{[84]ノボビオシンはクマリンから派生しており、ノボビオシンの構造は}クマリンと似ています。

合成致死は、 2 つ以上の遺伝子の発現の欠損の組み合わせが細胞死につながる場合に発生しますが、これらの遺伝子の 1 つだけの発現の欠損では細胞死は起こりません。欠損は、遺伝子の突然変異、エピジェネティックな変化、または阻害剤によって発生する可能性があります。トポイソメラーゼ阻害剤イリノテカンによる合成致死は、DNA 修復遺伝子WRNの発現が欠損している癌患者に投与されたときに発生するようです。^{[引用が必要]}

11の組織における630のヒト原発性腫瘍の分析は、WRN CpG島プロモーターの過剰メチル化（WRNタンパク質の発現の喪失）が腫瘍形成における一般的なイベントであることを示している。^[85] WRNは、大腸がんおよび非小細胞肺がんの約38％ 、胃がん、前立腺がん、乳がん、非ホジキンリンパ腫および軟骨肉腫の約20％で抑制されており、評価された他のがんでも有意なレベルで抑制されている。WRNタンパク質ヘリカーゼは、相同組換えDNA修復に重要であり、非相同末端結合DNA修復および塩基除去DNA修復にも役割を果たしている。^[86]

2006年に行われた、長期の臨床追跡調査による回顧的研究は、トポイソメラーゼ阻害剤イリノテカンで治療された大腸がん患者を対象に行われた。この研究では、45人の患者がWRN遺伝子プロモーターが高メチル化しており、43人の患者が非メチル化WRNプロモーターを有していた。^{[85]イリノテカンは、} WRNプロモーター が高メチル化している患者（生存期間39.4か月）の方が、非メチル化WRNプロモーターを有する患者（生存期間20.7か月）よりも、より強力に有益であった。したがって、トポイソメラーゼ阻害剤は、 WRN発現欠損に対して特に合成致死的であるように思われる。さらなる評価により、WRN発現欠損とトポイソメラーゼ阻害剤の合成致死性も示されている。 [ ^{87] [88] [89] [90] [91]}