La serendipitosa scoperta del PtCl2(NH3)2
Il cisplatino venne per la prima volta isolato nel 1845. Nel 1893 Alfred Werner dedusse la sua struttura e descrisse i due isomeri geometrici. L’esperimento che portò alla scoperta delle potenzialità del cisplatino in ambito medico risale invece al 1965 quando Barnett Rosenberg svolgeva il ruolo di ricercatore biofisico all’MSU (Michigan State University).
Rosenberg osservò che le immagini al microscopio di una cellula in divisione assomigliavano molto alle linee di campo della limatura di ferro quando sottoposta all’effetto di un campo magnetico esterno. Egli ipotizzò che analogamente l’applicazione di un campo elettrico potesse inficiare sul corretto svolgimento del processo di divisione cellulare.
All’epoca si riteneva che il platino non avesse alcuna attività biologica. Di conseguenza l’equipe di laboratorio del professor Rosenberg decise di applicare degli elettrodi di Pt ad una soluzione ricca di E. Coli. Non appena la corrente fluì attraverso il circuito elettrico realizzato, le cellule batteriche smisero di dividersi ma continuarono a crescere anche 300 volte più della loro normale lunghezza.
Il ricercatore non aveva ancora compreso cosa avesse causato il blocco del ciclo cellulare pensando di aver messo a punto un protocollo sperimentale atto a controllare la crescita dei batteri mediante un campo elettrico. Dopo due anni di continua ricerca e ripetuti esperimenti, Rosenberg comprese che l’effetto osservato non era correlato all’elettricità fluente negli elettrodi, ma ad un composto particolare del platino rilasciato dagli stessi. Tale sostanza venne identificata come cisplatino.
Non pago dell’inusuale scoperta, Rosenberg ipotizzò che tale composto potesse bloccare la divisione cellulare delle cellule cancerose neoplastiche. I primi esperimenti vennero condotti su topi affetti da sarcoma constatando che in dosi elevate il composto attaccava sì il cancro ma provocava gravi effetti collaterali mentre in quantità relativamente basse era in grado di essere tollerato dall’organismo malato. Dopo sei mesi i topi risultarono sani ai controlli non mostrando alcuna recidiva tumorale nella zona soggetta a trattamento.
Sulla base di questi eccezionali risultati, l’NCI (National Cancer Institute) iniziò a finanziare dei primi esperimenti clinici sull’uomo i quali andarono a buon fine. Ciò spinse l’FDA (Food and Drug Administration) a rendere disponibile il cisplatino come trattamento terapeutico per il cancro ai testicoli nel 1978. Se utilizzato in combinazione con altri agenti chemioterapici, la soglia di riuscita di debellazione del tumore superava il 90% dei casi. Ad oggi migliaia di composti simili al cisplatino sono stati sviluppati e i ricercatori stanno cercando di produrne altri ancora per ridurre gli effetti collaterali nocivi e per combattere la resistenza ai farmaci. Tra questi esistono il carboplatino, che ha effetti più blandi del cisplatino, e l’ossaliplatino, utilizzato specialmente nell’ambito del trattamento chemioterapico del tumore al colon.
Il cisplatino: un composto di coordinazione speciale
Il diamminodicloroplatino (II) è un composto di coordinazione di formula [PtCl2(NH3)2] in cui l’atomo centrale risulta essere il platino. Il suo numero di coordinazione (quantità di elementi correlati all’atomo coordinante centrale) è 4 e i ligandi si dispongono nello spazio secondo una geometria detta quadrato planare. Il complesso reagisce con il DNA inducendo particolari meccanismi molecolari come il danneggiamento dell’acido nucleico in questione con conseguente innesco dell’irreversibile processo di apoptosi cellulare.
Per interagire con il DNA, il cisplatino deve essere attivato attraverso una serie di processi chimici che avvengono spontaneamente. Quando il composto entra nella cellula, i due atomi di cloro vengono sostituiti da due molecole di acqua a causa del gradiente di concentrazione di Cl– ai due lati della membrana plasmatica che divide lo spazio extracellulare da quello citosolico interno. Le due molecole di H2O acquisite per un processo di idratazione possono essere facilmente perse dal cisplatino che dunque diviene una specie chimica altamente reattiva.
A causa della sua particolare geometria cis, esso è in grado di formare legami (crosslinks) con le basi azotate del DNA. In molti casi il cisplatino forma queste interazioni nelle zone ricche di guanina ed adenina ma può accadere che tale composto leghi addirittura le due eliche assieme.
Come si può immaginare, tali incroci tra basi azotate e filamenti polinucleotidici antiparalleli causano seri problemi quando la cellula tenta di compiere processi biologici come la replicazione semiconservativa del materiale genetico o una trascrizione dell’informazione cromosomica operata dalle RNA polimerasi in vista di una successiva traduzione in ambiente citosolico.
Meccanismo molecolare di azione del cisplatino
Il cisplatino è importato nella cellula da differenti trasportatori di membrana specializzati nel transito di composti di Pt. In realtà molti di questi carrier, simili per costituzione ai trasportatori ABC (ATP-building Cassette), ostacolano la somministrazione dell’agente chemioterapico. Il complesso proteico MDR1, detto anche P-glicoproteina 1, è tradotto dal gene ABCB1.
La sua attività di pompa proteica spesso è capace di ridurre le concentrazioni intracellulari di composti benefici come i chemioterapici o altri medicinali. L’over-espressione di MDR1 è uno dei principali meccanismi dietro l’inefficacia di vari composti e lo sviluppo nell’organismo della resistenza multipla ai farmaci.
Tra i più importanti complessi recettoriali per il cisplatino si ricordano le ATPasi di efflusso come le MRP o i trasportatori dei soluti quali CTR1 e SLC. Questi ultimi sono degli importanti target per lo sviluppo di nuovi farmaci. A differenza dei trasportatori ABC, la superfamiglia delle SLC è estremamente varia per quanto riguarda la struttura tridimensionale. Tuttavia un comune dominio proteico consta di 12 eliche transmembrana disposte in due pseudo-ripetizioni strutturali inverse (ciascuna di sei eliche). Le SLC sfruttano differenti meccanismi di energia per il trasporto delle sostanze tra cui trasporti attivi secondari (spesso si tratta di cotrasportatori come il simporto C6H12O6-Na+), canali ionici (trasporto quasi esclusivamente passivo) e altre proteine di membrana.
Differenti studi hanno dimostrato che il cisplatino forma nel DNA dei crosslinks tra purine adiacenti (AG o GG nello stesso filamento polinucleotidico nel 90% dei casi) e dei legami tra basi puriniche separate da una pirimidina.
Le strutture e altre proprietà fisiche di questi complessi (tra cui la capacità di essere riconosciuti dai sistemi cellulari di processione del danneggiamento del DNA) sono stati intensivamente studiati negli ultimi decenni.
Un altro caratteristico complesso formato dal cisplatino è detto DPCL (DNA-platinum-protein cross-link) e consiste nell’unione di PtCl2(NH3)2 sia alle proteine cromosomiche (i.e. istoni e citocheratine) che al DNA. È stato dimostrato in laboratorio che la partecipazione delle proteine nucleari ai DPCL indotti da cisplatino disturba il metabolismo nucleare e il solito compattamento della cromatina.
Altre strutture che il cisplatino forma col DNA sono gli inter-strand crosslinks che si verificano tra purine appartenenti a due filamenti differenti o i mono-adducts che in realtà richiedono che il cisplatino perda solo un atomo di cloro in soluzione citosolica e non entrambi.
Quando il platino forma dei complessi nello stesso filamento, il piano della guanosina (deossiribosio e base azotata) è completamente alterato causando un danno alla sequenza del DNA. Questa distorsione genera una modifica della struttura dello zucchero in una forma più rigida che di conseguenza riduce la flessibilità conformazionale dell’intera molecola di acido nucleico.
L’effetto chemioterapico del cisplatino è probabilmente correlato alla sua capacità di inibire la trascrizione del DNA in mRNA. Ad esempio il dominio proteico HMG (High Mobility Group), ricco di fattori di trascrizione necessari per la RNA polimerasi, è attratto, per motivi chimici, dai complessi del cisplatino. Il PtCl2(NH3)2 funge quindi da dirottatore di questi composti proteici che non raggiungono i promotori dove deve avvenire la trascrizione, ma si legano ai crosslink indotti dal cisplatino. Un’altra ipotesi è che l’attacco di HMG sui crosslink mascheri la presenza di PtCl2(NH3)2 che quindi non viene rilevato dai meccanismi di riparazione del DNA con una conseguente persistenza di Pt nelle eliche del DNA. Ciò potrebbe essere il motivo per il quale il cisplatino possa indurre la morte cellulare.
Roberto Parisi
Riferimenti accademici:
- Atkins, Peter William, and Loretta Jones. 2012. Principi Di Chimica. Bologna: Zanichelli.
- Chválová, Kateřina, Viktor Brabec, and Jana Kašpárková. 2007. “Mechanism Of The Formation Of DNA–Protein Cross-Links By Antitumor Cisplatin”. Nucleic Acids Research 35 (6): 1812-1821. doi:10.1093/nar/gkm032.
- Colas, Claire, Peter Man-Un Ung, and Avner Schlessinger. 2016. “SLC Transporters: Structure, Function, And Drug Discovery”. Medchemcomm 7 (6): 1069-1081. doi:10.1039/c6md00005c.
- Dasari, Shaloam, and Paul Bernard Tchounwou. 2014. “Cisplatin In Cancer Therapy: Molecular Mechanisms Of Action”. European Journal Of Pharmacology 740: 364-378. doi:10.1016/j.ejphar.2014.07.025.
- Goodsell, D. S. 2006. “The Molecular Perspective: Cisplatin”. The Oncologist 11 (3): 316-317. doi:10.1634/theoncologist.11-3-316.
- Siddik, Zahid H. 2003. “Cisplatin: Mode Of Cytotoxic Action And Molecular Basis Of Resistance”. Oncogene 22 (47): 7265-7279. doi:10.1038/sj.onc.1206933.
- “The “Accidental” Cure – Platinum-Based Treatment For Cancer: The Discovery Of Cisplatin”. 2014. National Cancer Institute (NCI).
