ADVANCES IN CANCER TREATMENT - FROM SYSTEMIC CHEMOTHERAPY TOTARGETED THERAPY IAGODILLIONLIMACAVALCANTI JOSÉCLEBERSONSANTOSSOARES
←
→
Page content transcription
If your browser does not render page correctly, please read the page content below
Advances in Cancer Treatment From Systemic Chemotherapy to Targeted Therapy Iago Dillion Lima Cavalcanti José Cleberson Santos Soares 123
Advances in Cancer Treatment
Iago Dillion Lima Cavalcanti José Cleberson Santos Soares Advances in Cancer Treatment From Systemic Chemotherapy to Targeted Therapy
Iago Dillion Lima Cavalcanti José Cleberson Santos Soares Universidade Federal de Pernambuco Universidade Federal de Pernambuco Recife Recife Pernambuco Pernambuco Brazil Brazil ISBN 978-3-030-68333-7 ISBN 978-3-030-68334-4 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-030-68334-4 © The Editor(s) (if applicable) and The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Switzerland AG 2021 This work is subject to copyright. All rights are solely and exclusively licensed by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and trans- mission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publica- tion does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. The publisher, the authors, and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, expressed or implied, with respect to the material contained herein or for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. This Springer imprint is published by the registered company Springer Nature Switzerland AG The registered company address is: Gewerbestrasse 11, 6330 Cham, Switzerland
Preface Cancer is one of the oldest diseases in the world, with a high incidence and mortal- ity rate. Characterized by the rapid proliferation of cells that differ from normal cells, invading organs, causing injuries, and inhibiting their normal functions, thereby weakening the patient and affecting his quality of life. Despite being an old disease, the treatment available is based on three main modalities, namely radiotherapy, surgery, and chemotherapy. Chemotherapy is the most used therapeutic modality and responsible for toxic reactions that can further compromise the quality of life of cancer patients. Among the side effects of chemo- therapy, the most common are nausea, vomiting, diarrhea, constipation, and alope- cia, among others, in addition to more serious effects such as nephrotoxicity, cardiotoxicity, neurotoxicity, and ototoxicity. Given this and with the advancement of cell biology, it was possible to develop drugs with target-specific tumor cells. Knowledge about the behavior and defense mechanisms of neoplastic cells made it possible to identify receptors overexpressed in tumor cells, allowing the development of products derived from substances pres- ent in the body, introducing therapies based on monoclonal antibodies, tyrosine kinase inhibitors, angiogenesis inhibitors, and checkpoint inhibitors, among others. Despite the discoveries, targeted therapy is not free from side effects, and its use is limited, being linked to the presence of specific receptors present in some types of tumors such as breast, lung, stomach, and intestine cancer, among others. With this, the book aims to address the main target therapies present in the treatment of cancer, as well as their benefits and difficulties in the implementation of clinical practice. Recife, Pernambuco, Brazil Iago Dillion Lima Cavalcanti Recife, Pernambuco, Brazil José Cleberson Santos Soares v
Contents 1 Cancer: Concepts and Epidemiology ���������������������������������������������������� 1 A Brief History of Cancer�������������������������������������������������������������������������� 1 What Is Cancer?���������������������������������������������������������������������������������������� 1 Cancer Epidemiology�������������������������������������������������������������������������������� 2 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 4 2 Cancer Development and Immunology������������������������������������������������� 5 Cell Cycle�������������������������������������������������������������������������������������������������� 5 Cell Cycle Control: The Function of Cyclins���������������������������������������� 6 Cancer-Triggering Agents�������������������������������������������������������������������������� 7 Proto-Oncogenes������������������������������������������������������������������������������������ 8 Tumor Suppressor Genes ���������������������������������������������������������������������� 9 Development of Tumor Mass�������������������������������������������������������������������� 10 Cancer Immunology���������������������������������������������������������������������������������� 10 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 11 3 Discovery of Tumor Markers������������������������������������������������������������������ 15 Cancer Diagnosis �������������������������������������������������������������������������������������� 15 Impact of the Discovery of Tumor Markers���������������������������������������������� 15 Main Tumor Markers for Cancer Diagnosis������������������������������������������ 16 Cancer Staging ������������������������������������������������������������������������������������������ 22 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 23 4 Conventional Cancer Treatment������������������������������������������������������������ 29 Therapeutic Modalities of Cancer�������������������������������������������������������������� 29 Surgery ������������������������������������������������������������������������������������������������������ 29 Radiotherapy���������������������������������������������������������������������������������������������� 30 Antineoplastic Chemotherapy�������������������������������������������������������������������� 31 Classification of Antineoplastic Agents by Cycle���������������������������������� 32 Classification of Antineoplastic Agents Based on Chemical Structure and Function�������������������������������������������������������������������������� 33 Toxicity of Chemotherapy �������������������������������������������������������������������� 41 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 48 vii
viii Contents 5 Targeted Therapies in Cancer Treatment���������������������������������������������� 57 Overexpressed Receptors on Tumor Cells ������������������������������������������������ 57 Immunotherapy������������������������������������������������������������������������������������������ 57 Monoclonal Antibodies������������������������������������������������������������������������������ 58 Types of Monoclonal Antibodies ���������������������������������������������������������� 59 Side Effects of Monoclonal Antibodies ������������������������������������������������ 62 Checkpoint Inhibitors�������������������������������������������������������������������������������� 62 Side Effects of Checkpoint Inhibitors���������������������������������������������������� 63 Cancer Vaccines ���������������������������������������������������������������������������������������� 65 Vaccines in Cancer Prevention�������������������������������������������������������������� 65 Vaccines for the Treatment of Cancer���������������������������������������������������� 65 Nonspecific Immunotherapies ������������������������������������������������������������������ 66 Tyrosine Kinase Inhibitors ������������������������������������������������������������������������ 67 Imatinib�������������������������������������������������������������������������������������������������� 68 Gefitinib ������������������������������������������������������������������������������������������������ 68 Erlotinib ������������������������������������������������������������������������������������������������ 69 Sorafenib������������������������������������������������������������������������������������������������ 70 Dasatinib������������������������������������������������������������������������������������������������ 70 Nilotinib ������������������������������������������������������������������������������������������������ 70 Lapatinib������������������������������������������������������������������������������������������������ 70 Adverse Events of Tyrosine Kinase Inhibitors�������������������������������������� 71 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 71 6 Conventional Chemotherapy Versus Targeted Therapy���������������������� 79 Differences Between Conventional Chemotherapy and Targeted Therapy������ 79 Risks and Benefits of Conventional Chemotherapy Compared to Targeted Therapy ���������������������������������������������������������������������������������� 80 Eligibility Criteria for the Indication of the Targeted Therapy������������������ 82 Side Effects of Targeted Therapy���������������������������������������������������������� 82 Can Targeted Therapy Replace Conventional Chemotherapy?������������������ 83 Targeted Therapy in Combination with Conventional Chemotherapy������ 84 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 85 7 Application of Pharmaceutical Nanotechnology in the Treatment of Cancer�������������������������������������������������������������������������������� 91 Pharmaceutical Nanotechnology �������������������������������������������������������������� 91 Classification of Nanosystems ������������������������������������������������������������������ 91 Liposomes���������������������������������������������������������������������������������������������� 93 Micelles�������������������������������������������������������������������������������������������������� 94 Polymeric Nanoparticles������������������������������������������������������������������������ 94 Solid Lipid Nanoparticles���������������������������������������������������������������������� 96 Magnetic Nanoparticles ������������������������������������������������������������������������ 96 Metal Nanoparticles ������������������������������������������������������������������������������ 97 Main Functions of Nanosystems in Cancer ���������������������������������������������� 97 Pharmaceutical Nanotechnology in Cancer Diagnosis�������������������������� 98 Pharmaceutical Nanotechnology in Cancer Treatment�������������������������� 98 References�������������������������������������������������������������������������������������������������� 100 Index�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 105
Cancer: Concepts and Epidemiology 1 A Brief History of Cancer Data found from osteosarcoma in fossils dating back to 8,000 BC confirm that can- cer is an ancient disease. The earliest descriptions of tumors are found in papyrus in Egypt dated 1600 BC and in documents in India dated 600 BC that describe cancer- like lesions in the oral cavity [1, 2]. Hippocrates (460–370 BC), considered the “father of medicine,” was the one who instituted the word “cancer” to define diseases, using other terms like “carci- nos” and “carcinoma” to describe certain types of tumors [2, 3]. The word cancer comes from the Greek, which means crab, representing the aspect of the tumor, which has projections and blood vessels around it that resemble the crab’s legs [1]. Centuries later, between 130 and 200 AD, Galen, a Roman physician, was a ref- erence in the treatment of cancer, determining that cancer was an incurable disease and that after his diagnosis there was little what to do. It was only from the fifteenth century that medicine began to advance, with research against cancer gaining prom- inence in the scientific as well as artistic circles, especially in Italy [2, 4]. With advances in molecular biology, it was possible to understand cancer from its changes in the genetic material of neoplastic cells, allowing the identification of mutations in certain genes that contribute to the alteration of cell division, differen- tiation, and death commands, allowing their uncontrolled multiplication [5, 6]. What Is Cancer? Cancer is the name given to a set of more than 100 diseases that have in common the uncontrolled growth of cells that can invade tissues and organs [7]. The human body is made up of a large number of cells with different functions. In a healthy body, during the natural process of cell division, cells grow, divide, die, and are replaced in a controlled manner[8]. © The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Switzerland AG 2021 1 I. D. L. Cavalcanti, J. C. S. Soares, Advances in Cancer Treatment, https://doi.org/10.1007/978-3-030-68334-4_1
2 1 Cancer: Concepts and Epidemiology Cancer cells undergo changes in DNA and start to divide and reproduce in an uncontrolled way, which combine together and form a mass that is popularly called a tumor [9]. The presence of a tumor mass in the body does not necessarily mean the presence of cancer, since there may be benign tumors, which are formed from cells very similar to normal cells that do not multiply quickly and also cannot migrate to other tissues [9, 10]. Whereas in malignant tumors, the modified cells grow rapidly and become malignant, being able to detach from the original tissues and migrate to other parts of the body, developing metastases. Cancer can be classified into solid masses, when there is a presence of a malignant tumor mass, and hematological, when the cells that change are of blood origin [11, 12]. Among the hematological cancers, the most frequent are leukemias, lymphomas, multiple myeloma, myelodysplastic syn- drome, and myeloproliferative syndromes. Among the solid cancers, the most com- mon are prostate, breast, cervix, lung, intestine, stomach, and skin cancers [8, 13, 14]. Cancer Epidemiology Cancer incidence and mortality rates are fundamental to understand the epidemiol- ogy of the disease, from its etiology to the prognostic factors related to each type of malignant tumor. Epidemiological data are essential to guide cancer control mea- sures, allowing the identification of risk factors, and assist in the prevention, treat- ment, and planning, supporting management health services [15–17]. Figure 1.1 shows the cancer prevalence rates worldwide, where we can see that lung cancer is the most incident, followed by breast and colorectal cancers. Regarding the mortality rate, even though it is an important data, it does not allow the real understanding of the magnitude of the problem, due to the various types of malignant tumors that present different profiles of lethality. As a result, mortality rates only allow defining the incidence of the most lethal malignant tumors [19–21]. According to data from the World Health Organization (WHO), lung can- cer is the most lethal cancer followed by colorectal and stomach cancer, as shown in Fig. 1.2. The cancer mortality profile shows us, when we confront the incidence profile, that lung cancer has a high incidence accompanied by a high mortality rate, as well as stomach cancer with very close incidence and mortality rates, which makes us question whether the treatment available for these tumors is effective or whether the high mortality rate is related to the pathophysiological characteristics of these tumors [18].
Cancer Epidemiology 3 2.5×106 2×106 Cancer Incidence 1.5×106 1×106 5×105 0 r ng Bl d st as er te h ia m s i ve a er i ac gu ro ea m ta om dd tu re Lu ut Li om y ae os ha ec Br nc a Th ph x Pr uk or op vi Pa St m er ol Le es ly C C O in gk od -H on N Fig. 1.1 Cancer incidence worldwide in the years 2018 (black column) and 2020 (gray column). (Source: [18]) 2×106 1.5×106 Mortality 1×106 5×105 0 op er ng d st as er te h ia m s Th i a er oi ac gu ea om v m ta tu dd re Lu ut yr Li om ae os ha ec Br nc a ph x Bl Pr uk or vi Pa St m er ol Le es ly C C O in gk od -H on N Fig. 1.2 Cancer mortality rates in 2018 (black column) and 2020 (gray column). (Source: [18])
4 1 Cancer: Concepts and Epidemiology References 1. Papavramidou N, Papavramidis T, Demetriou T (2010) Ancient Greek and Greco-Roman methods in modern surgical treatment of cancer. Ann Surg Oncol 17(3):665–667 2. Faguet GB (2015) A brief history of cancer: age-old milestones underlying our current knowl- edge database. Int J Cancer 136:2022–2036 3. Bisen OS, Khan Z, Bundela S (2013) Biology of oral cancer: key apoptotic regulators, 1th edn. Boca Raton: CRC Press 4. Lonardo AD, Nasi S, Pulciani S (2015) Cancer: we should not forget the past. J Cancer 6(1):29–39 5. Alberts B, Johnson A, Lewis J (2002) Molecular biology of the cell, 4th edn. Garland Science, New York 6. Imran A, Qamar HY, Ali Q, Naeem H, Riaz M, Amin S et al (2017) Role of molecular biology in cancer treatment: a review article. Iran J Public Health 46(11):1475–1485 7. NIH – National Institutes of Health (2007) Understanding cancer. Biological Sciences Curriculum Study, Bethesda 8. Cooper GM (2000) The cell: a molecular approach, 2nd ed. Washington, DC: ASM Press; Sunderland, Mass.: Sinauer Associates 9. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000) Molecular cell biology, 4th edn. W.H.Freeman, New York 10. Baba AI, Câtoi C (2007) Comparative oncology. The Publishing House of the Romanian Academy, Bucharest 11. Martin TA, Ye L, Sanders AJ, Lane J, Jiang WG (2013) Cancer invasion and metastasis: molecular and cellular perspective. In: Madame Curie bioscience database [internet]. Landes Bioscience 12. Seyfried TN, Huysentruyt LC (2013) On the origin of cancer metastasis. Crit Rev Oncog 18(1–2):43–73 13. Sandner AS, Weggel R, Mehraein Y, Schneider S, Hiddemann W, Spiekermann K (2019) Frequency of hematologic and solid malignancies in the family history of 50 patients with acute myeloid leukemia – a single center analysis. PLoS One 14(4) 14. Pelosof LC, Gerber DE (2010) Paraneoplastic syndromes: an approach to diagnosis and treat- ment. Mayo Clin Proc 85(9):838–854 15. Rawla P (2019) Epidemiology of prostate cancer. World J Oncol 10(2):63–89 16. Rawla P, Sunkara T, Gaduputi V (2019) Epidemiology of pancreatic cancer: global trends, etiology and risk factors. World Journal of Oncology 10(1):10–27 17. Terwindt F, Rajan D, Soucat A (2016) Priority-setting for national health policies, strategies and plans. World Health Organization – WHO 18. WHO – World Health Organization. Estimated number of incident cases from 2018 to 2040. International Agency for Research on Cancer. Available on: https://gco.iarc.fr/tomorrow/ graphic-isotype?type=0&type_sex=0&mode=population&sex=0&populations=900&can cers=36&age_group=value&apc_male=0&apc_female=0&single_unit=100000&print=0. Accessed on: May 5, 2020 19. Bigoni A, Antunes JLF, Weiderpass E, Kjaerheim K (2019) Describing mortality trends for major cancer sites in 133 intermediate regions of Brazil and an ecological study of its causes. BMC Cancer 19:940 20. Dicken BJ, Bigam DL, Cass C, Mackey JR, Joy AA, Hamilton SM (2005) Gastric adenocarci- noma: review and considerations for future directions. Ann Surg 241(1):27–39 21. Teixeira AKS, Vasconcelos JLA (2019) Histopathological profile of patients diagnosed with malignant tumors assisted in a hospital of reference of Agreste Pernambuco. J Brasileiro de Patologia e Medicina Lab 1:55
Cancer Development and Immunology 2 Cell Cycle The cell cycle is cellular and biochemical events responsible for the generation of two daughter cells from a mother cell. Cell division is essential for several cellular processes such as embryonic development, tissue regeneration or renewal, and organism growth, among others [1, 2]. Eukaryotic cells undergo a common sequence of events during the cell cycle, involving the stages of cell growth, replication of genetic material (DNA), distribu- tion of genetic material to daughter cells (chromosomes), and cell division (cytoki- nesis). The cell cycle consists of two phases: interphase and mitosis. During the interphase, the cells are in intense metabolic activity, considered the longest phase of the cell cycle. Interphase is subdivided into three subphases: G1, S, and G2 as shown in Fig. 2.1 [3]. The G1 and G2 phases represent an interval between the S phase and the mitosis phase, wherein the G1 phase is considered the first interval and it is responsible for the synthesis of proteins and RNA. After phase G1, phase S occurs, called synthe- sis, where the division of genetic material occurs, which is the longest phase of the interphase. The G2 phase, the second interval, is the phase responsible for the syn- thesis of proteins, such as tubulin, which will form the microtubules of the mitotic spindle, and RNA, occurring in a smaller amount than in the G1 stage. Some cells do not go through the cell division process immediately as they are in the resting phase (G0 phase) [3–5]. After cell growth and preparation for cell division during interphase, the cell divides in the mitosis phase, where two daughter cells identical to the parent cell are formed. Mitosis is divided into five stages: prophase, prometaphase, metaphase, anaphase, and telophase. During prophase, the chromosomes that are already dupli- cated are joined by centrosomes, chromatin condensation occurs, and the formation of the mitotic spindle begins. While in prometaphase, the chromosomes become more condensed, there is a fragmentation of the nuclear envelope, and each chroma- tin has a kinetochore [3, 6]. © The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Switzerland AG 2021 5 I. D. L. Cavalcanti, J. C. S. Soares, Advances in Cancer Treatment, https://doi.org/10.1007/978-3-030-68334-4_2
You can also read