กลไกการยับยั้งของสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติกต่อโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันในเซลล์มะเร็งเต้านม

1 ตุลาคม 2562

 

       โรคมะเร็งเต้านมมักพบบ่อยในผู้หญิงทั่วโลก จากการศึกษาในโครงการโกลโบแคน [1] ขององค์การอนามัยโลก (World Health Organisation: WHO) พบว่า ในปี พ.ศ. 2555 มีอัตราเกิดใหม่ของโรคมะเร็งเต้านมในภูมิภาคเอเซียตะวันออกเฉียงใต้สูงถึง 240,000 ราย และมีการตายจำนวน 110,000 ราย ในประเทศไทยมีรายงานทะเบียนมะเร็งระดับโรงพยาบาล (hospital based cancer registry) พบว่าในปี พ.ศ. 2556 มีผู้ป่วยอุบัติใหม่ของโรคมะเร็งเต้านมเฉพาะที่เข้ารักษาในสถาบันมะเร็งแห่งชาติจำนวนมากถึง 926 ราย ซึ่งสูงเป็นอันดับ 1 เมื่อเทียบกับมะเร็งชนิดอื่นๆและยังพบว่ามีจำนวนสูงขึ้นจากปี พ.ศ.2552 ถึง 17 เปอร์เซ็นต์ (ข้อมูลจาก: สถาบันมะเร็งแห่งชาติ ปี พ.ศ. 2556) โดยทั่วไปผู้ป่วยโรคมะเร็งเต้านมจะได้รับการรักษาด้วยการผ่าตัด การฉายรังสี และการทำเคมีบำบัด โดยปกติผู้ป่วยโรคมะเร็งเต้านมจะมีการแสดงออกของยีนที่ชี้จำเพาะ เช่น HER2/neu และตัวรับฮอร์โมน Estrogen/Progesterone Receptor ซึ่งในการรักษาจะให้รับแอนติบอดี้ที่มีความจำเพาะต่อยีนที่แสดงออก อย่างไรก็ตามปัญหาใหญ่ของผู้ป่วยโรคมะเร็งเต้านมที่มักพบคือการดื้อยาของผู้ป่วยโรคมะเร็งเต้านมต่อเคมีบำบัด [2] ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของการล้มเหลวในการรักษาถึง 90 เปอร์เซ็นต์ [3] โดยเฉพาะอย่างยิ่งในผู้ป่วยที่ไม่พบการแสดงออกของยีน HER2/neu หรือ ตัวรับฮอร์โมน Estrogen/Progesterone Receptor ดังนั้นการคิดค้นวิธีเพื่อเอาชนะการดื้อยาเคมีบำบัดในผู้ป่วยมะเร็งเต้านม จึงเป็นทางหนึ่งที่สำคัญในการพัฒนาการรักษาและคุณภาพชีวิตของผู้ป่วยโรคมะเร็งเต้านม

 

       ยาเคมีบำบัดสำหรับรักษาโรคมะเร็งเต้านมในทางคลินิคที่ใช้ในปัจจุบัน ได้แก่ Doxorubicin และ Epirubicin ซึ่งยาเหล่านี้จะทำให้เกิดความเสียหายของสารพันธุกรรมหรือสายดีเอ็นเอของเซลล์มะเร็ง (DNA double strand break) และทำให้เซลล์ตาย [4, 5] ซึ่งโดยปกติถ้าเซลล์ได้รับความเสียหายในระดับดีเอ็นเอจะมีการกระตุ้นให้มีการซ่อมแซมดีเอ็นเอภายในเซลล์ (DNA repair) และการเจริญเติบโตของเซลล์ (cell proliferation) ในกรณีของเซลล์มะเร็งพบว่าโปรตีนฟอกซ์เอ็มวัน (FOXM1) มีส่วนสำคัญอย่างยิ่งในการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่เกิดจากยาเคมีบำบัด [6] จากงานวิจัยที่ผ่านมาพบว่าโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันมีการแสดงออกสูงมากในเซลล์มะเร็งหลายๆชนิด เมื่อเทียบกับเซลล์ปกติ [7, 8] โดยเฉพาะอย่างยิ่งในมะเร็งที่มีการดื้อยาเคมีบำบัด [9, 10] โดยโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันจะช่วยส่งเสริมการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่เกิดความเสียหายจากยาเคมีบำบัด [9, 11] โปรตีนฟอกซ์เอ็มวันจึงมีความน่าสนใจเป็นอย่างยิ่งในการเป็นเป้าหมายของการพัฒนายาที่สามารถควบคุมการแสดงออกของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันในระหว่างการให้เคมีบำบัดแก่ผู้ป่วยมะเร็งเต้านม โดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ป่วยที่มีแนวโน้มจะมีการดื้อยาเคมีบำบัด

 

       สารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติก (antibiotic thiazole compound) เป็นสารที่ได้จากแบคทีเรียพวก สเตรปโตมัยซิส (Streptomyces sp.) ซึ่งมีผลต่อการตายของเซลล์มะเร็งเต้านม (apoptosis) โดยยับยั้งการแสดงออกของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวัน [12] จากงานวิจัยที่ผ่านมาพบว่าสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติกสามารถยับยั้งการเข้าจับของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันกับสารพันธุกรรมเป้าหมาย (Targeted DNA) ทำให้ไม่สามารถสังเคราะห์โปรตีนที่ช่วยในการซ่อมแซมสารพันธุกรรมที่เสียหาย (Damage DNA) ได้ [13, 14] ซึ่งมีการคาดคะเนว่าสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติกจะเข้าแทนที่บริเวณโดเมนที่ใช้จับกับสารพันธุกรรมเป้าหมายของฟอกซ์เอ็มวัน [15] อย่างไรก็ตามยังพบข้อจำกัดในการนำไปใช้ของสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอตี้อยู่บ้าง ได้แก่ ความซับซ้อนในการสังเคราะห์ ความไม่เสถียร ความสามารถในการละลายต่ำ ทำให้งานวิจัยในการคิดค้นสารแอนตี้ไบโอติกชนิดใหม่หรือการปรับปรุงสมบัติของสารดังกล่าวยังเป็นที่ต้องการ เพื่อนำไปสู่การคิดค้นสารแอนตี้ไบโอติกชนิดใหม่ที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น  ทำให้ความเข้าใจในระดับโมเลกุลของกลไกการยับยั้งของสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติกกับโดเมนสำคัญๆของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยในงานวิจัยนี้ได้ศึกษาการยับยั้งของสารไทโอสเตปโตน (Thiostrepton) ต่อการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็งเต้านม โดยอาศัยทั้งเทคนิคการจำลองเชิงทฤษฎีและการทดลองเชิงปฏิบัติ

 

       จากปัญหาที่ได้กล่าวมาข้างต้น ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ได้สนับสนุนทุนวิจัยให้กับกลุ่มคณะผู้วิจัยในห้องปฏิบัติการวิจัยเชี่ยวชาญเฉพาะทางด้านแบบจำลองชีวภาพเชิงคำนวณเพื่อวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีการเกษตร (Computational Biomodelling Laboratory for Agricultural Science and Technology, CBLAST) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ เพื่อนำองค์ความรู้ทางฟิสิกส์มาประยุกต์ใช้แก้ไขปัญหาในระบบชีวภาพ และการแพทย์ โดยเฉพาะเพื่อให้เข้าใจถึงกลไกการยับยั้งของสารไทโอสเตปโตน (Thiostrepton) ต่อการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็งเต้านม และให้เกิดความเข้าใจเชิงลึกระดับโมเลกุลในกลไกที่เกิดขึ้น ในโครงการนี้ได้ใช้การจำลองพลวัติเชิงโมเลกุลเป็นการศึกษาพฤติกรรมของอะตอมหรือโมเลกุลที่เราสนใจ โดยอาศัยกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน ซึ่งมีการใช้ศึกษาพฤติกรรมของโมเลกุลอย่างแพร่หลายมากกว่า 50 ปีและเป็นที่ยอมรับว่าสามารถอธิบายผลการทดลองในห้องปฏิบัติการได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ [16, 17] อีกทั้งช่วยลดระยะเวลาและค่าให้จ่ายในการวิจัย โดยเป็นการคัดกรองโอกาสที่สามารถเกิดขึ้นได้และทำนายผลการทดลองที่ไม่สามารถทำได้หรือทำได้ยากในการทดลองในห้องปฏิบัติการ จากการใช้เทคนิคการจำลองพลวัติเชิงโมเลกุลเพื่อศึกษาการยึดจับกันของระดับโมเลกุลของสารไทโอสเตปโตนกับโปรตีนฟอกซ์เอ็มวัน พบว่าการยึดจับของสารไทโอสเตปโตนกับโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันส่งเสริมให้เกิดการยึดจับกันของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันกับดีเอ็นเอเป้าหมายที่แข็งแรงขึ้น โดยค่าช่วงชีวิต (life time) ของพันธะไฮโดรเจนระหว่างโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันกับดีเอ็นเอเป้าหมายในกรณีที่มีการเข้ายึดจับของสารไทโอสเตปโตนมีค่ามากกว่ากรณีที่ไม่มีการยึดจับของไทโอสเตปโตน นอกจากนี้พบว่ากรดอะมิโนในบริเวณที่ยึดจับมีความเสถียรเพิ่มมากขึ้น รูปที่ 1 แสดงการยึดจับกันของโมเลกุลไทโอสเตปโตนกับสารประกอบเชิงซ้อนของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันและดีเอ็นเอเป้าหมาย ในการศึกษาความสามารถในการฆ่าและยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็งเต้านมของสารไทโอสเตปโตนในเชิงปฏิบัติด้วยเทคนิค cell survival assay (MMT assay) พบว่าสารไทโอสเตปโตนสามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็งเต้านมได้ โดยความเข้มข้นของสารไทโอสเตปโตนเพียง 0.47 ไมโครโมลาร์ สามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็งได้ในการทดสอบนาน 24 ชั่วโมง และเมื่อทดสอบนาน 48 และ 72 ชั่วโมงพบว่าการรอดชีวิตของเซลล์มะเร็งลดลงอย่างชัดเจนเมื่อเปรียบกับการทดสอบ 24 ชั่วโมงที่ความเข้มข้นเดียวกัน โดยสรุปคือจากการศึกษานี้ได้บูรณาการศึกษาชีวฟิสิกส์เชิงคำนวณ ทำให้เกิดความเข้าใจระดับโมเลกุลของกลไกการยับยั้งการทำงานของสารประกอบเชิงซ้อนระหว่างโปรตีนฟอกซ์เอ็มกับดีเอ็นเอเป้าหมายด้วยสารสารไทโอสเตปโตนเพิ่มมากขึ้น จากความเข้าใจในเชิงลึกสามารถนำไปสู่การพัฒนายาชนิดใหม่ที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นต่อไปได้ งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการนานาชาติระดับคุณภาพและรับเลือกให้ลงปกของวารสาร Oncology Report ฉบับที่ 42 ซึ่งสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในเอกสารอ้างอิงดังนี้ Mesayamas Kongsema*, Sudtirak Wongkhieo, Mattaka Khongkow, Eric W.F. Lam, Phansiri Boonnoy, Wanwipa Vongsangnak and Jirasak Wong-ekkabut*, Molecular mechanism of Forkhead box M1 (FOXM1) inhibition by thiostrepton on breast cancer cells, Oncology Reports, Vol. 42, July 2019, pp. 953-962

 

     

 

รูปที่ 1 แสดงแสดงการยึดจับกันของโมเลกุลไทโอสเตปโตนกับสารประกอบเชิงซ้อนของโปรตีนฟอกซ์เอ็มและดีเอ็นเอเป้าหมาย

 

เอกสารอ้างอิง

 

1.       Ferlay, J., et al., Estimates of worldwide burden of cancer in 2008: GLOBOCAN 2008. International journal of cancer, 2010. 127(12): p. 2893-2917.

2.       Riedel, R.F., et al., A genomic approach to identify molecular pathways associated with chemotherapy resistance. Molecular cancer therapeutics, 2008. 7(10): p. 3141-3149.

3.       Longley, D. and P. Johnston, Molecular mechanisms of drug resistance. The Journal of pathology, 2005. 205(2): p. 275-292.

4.       Capranico, G., et al., Role of DNA breakage in cytotoxicity of doxorubicin, 9-deoxydoxorubicin, and 4-demethyl-6-deoxydoxorubicin in murine leukemia P388 cells. Cancer research, 1989. 49(8): p. 2022-2027.

5.       Yang, F., C.J. Kemp, and S. Henikoff, Anthracyclines induce double-strand DNA breaks at active gene promoters. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis, 2015. 773: p. 9-15.

6.       Zona, S., et al., FOXM1: an emerging master regulator of DNA damage response and genotoxic agent resistance. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Gene Regulatory Mechanisms, 2014. 1839(11): p. 1316-1322.

7.       Myatt, S.S. and E.W.-F. Lam, Targeting foxm1. Nature reviews Cancer, 2008. 8(3): p. 242-242.

8.       Halasi, M. and A.L. Gartel, Targeting FOXM1 in cancer. Biochemical pharmacology, 2013. 85(5): p. 644-652.

9.       Monteiro, L.J., et al., The Forkhead Box M1 protein regulates BRIP1 expression and DNA damage repair in epirubicin treatment. Oncogene, 2013. 32(39): p. 4634-4645.

10.      Wang, Y., et al., FoxM1 expression is significantly associated with cisplatin-based chemotherapy resistance and poor prognosis in advanced non-small cell lung cancer patients. Lung cancer, 2013. 79(2): p. 173-179.

11.      Khongkow, P., et al., FOXM1 targets NBS1 to regulate DNA damage-induced senescence and epirubicin resistance. Oncogene, 2014. 33(32): p. 4144-4155.

12.      Bhat, U.G., M. Halasi, and A.L. Gartel, Thiazole antibiotics target FoxM1 and induce apoptosis in human cancer cells. PloS one, 2009. 4(5): p. e5592.

13.      Gartel, A.L., Thiazole Antibiotics Siomycin a and Thiostrepton Inhibit the Transcriptional Activity of FOXM1. Frontiers in Oncology, 2013. 3: p. 150.

14.      Halasi, M., et al., Thiazole antibiotics against breast cancer. Cell Cycle, 2010. 9(6): p. 1214-1217.

15.      Hegde, N.S., et al., The transcription factor FOXM1 is a cellular target of the natural product thiostrepton. Nature chemistry, 2011. 3(9): p. 725-731.

16.      Schmid, N., et al., Biomolecular structure refinement using the GROMOS simulation software. J Biomol NMR, 2011. 51(3): p. 265-81.

17.      Soares, T.A., et al., Validation of the GROMOS force-field parameter set 45Alpha3 against nuclear magnetic resonance data of hen egg lysozyme. J Biomol NMR, 2004. 30(4): p. 407-22.

 

รายงานโดย

 

รศ. ดร. จิรศักดิ์ วงศ์เอกบุตร*, ดร. เมษยะมาศ คงเสมา, รศ. ดร. วรรณวิภา วงศ์แสงนาค และ

นางสาวพรรณศิริ บุญน้อย

ห้องปฏิบัติการวิจัยเชี่ยวชาญเฉพาะทางด้านแบบจำลองชีวภาพเชิงคำนวณเพื่อวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีการเกษตร ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ กรุงเทพมหานคร - 10900

E-mail: jirasak.w@ku.ac.th*