Avoiding tumor resistance - different approaches for new chemotherapeutic agents and their mechanistic assessment

Titelangaben

Gold, Madeleine:
Avoiding tumor resistance - different approaches for new chemotherapeutic agents and their mechanistic assessment.
Bayreuth , 2021 . - v, 262 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

With growing biochemical knowledge and the development of targeted therapies since the beginning of the 21st century, the individualization of therapy for every single patient and their tumor has taken center stage in cancer research. Despite all advancements in this field, in 90% of cases chemoresistance is responsible for the failure of antitumoral therapy. For this reason there is a considerable demand for new therapeutic agents, selectively addressing resistant tumor cells, but also for new biomarkers enabling an early detection of existing or imminent resistance. In the first section of this work, some preclinical studies of new potential drug candidates, which were designed to avoid chemoresistance in different ways, are described. Moreover, the assessment of their particular mechanisms of action on a molecular level was in the focus. Two new series of drugs aimed at the circumvention of p53-related chemoresistance. As p53 plays a key role in the induction of apoptosis, cells with p53 mutations are significantly less sensitive or even resistant against apoptosis-inducing stimuli, e.g. chemotherapeutic agents. In this work, new ruthenium(II) and gold(I) complexes inducing apoptosis in a p53-independent way were investigated. A benzochromene ruthenium(II) complex derived from lawsone (2-hydroxy-1,4-naphthoquinone), the pigment and active ingredient of the henna plant, avoids p53-dependency by induction of cellular senescence. Therapy-induced senescence represents one alternative to conventional cytotoxic chemotherapy and implicates even more advantages. As its aim is not to eliminate malignant cells, but to irreversible inhibit their proliferation, side effects for the patient could be reduced especially in the longtime treatment of specific cancer types. Also [1,3-diethyl-4,5-diarylimidazol-2-yliden](L) gold(I) complexes showed activity against tumor cells independent from their p53 mutational status. By confocal microscopy with 518A2 melanoma cells, organelle-specific cellular uptake of those complexes was observed. Whereas, mainly the nature of ligand L, responsible for the complex charge, size and lipophilicity, was decisive for the site of cellular accumulation. This concept of controlling the intracellular distribution of metallodrugs by choice of secondary ligands and the complex charge could be exploited in a rational design of drugs particularly active against resistant tumor cells. Topoisomerase I inhibitors are established antitumoral agents mainly applied within combination regimens. The high rate of chemoresistance development also represents a big issue for this kind of therapy. To date, the camptothecin family agents, like topotecan or irinotecan, are the only topoisomerase I-specific drugs with clinical approval. With camptothecin resistance often significantly depending on the molecular structure of the agent, the implementation of a novel, structural-independent class of topoisomerase I inhibitors may contribute to bypass this problem. In the scope of this work, three topoisomerase I inhibiting copper(II) complexes with Schiff base-like ligands were identified. In contrast to established copper complexes with topoisomerase I inhibiting activity, neither an interaction with DNA nor an impact on the intracellular concentration of reactive oxygen species was observed. The new copper(II) complexes with Schiff base-like ligands are potentially interesting drug candidates for further studies. Another possibility for the avoidance of tumor resistance are pleiotropic agents that address more than one cellular target at a time. Derived from the concept of polychemotherapy - to date the most successful approach to prevent the development of chemoresistance - these agents aim to reduce side effects, as well as pharmacokinetic discrepancies between individual combinational drugs. In this work, a series of multimodal thienopyrimidone derivatives were tested regarding their antitumoral properties. From a structural point of view, these substances combine the ß-tubulin binding 3,4,5-trimethoxyphenyl fragment with the biologically active thieno[2,3-d]pyrimidone pharmacophore. By means of different in vitro and in vivo assays, one derivative with improved activity and tolerability compared to the reported lead structures was identified within the series. In the second part of this work, a potential monitoring tool for the early detection of therapy response in patients with colorectal cancer was investigated via a clinical proof-of-principle study. Circulating tumor cells are an important link between the primary tumor and distant metastasis and are readily accessible from the blood of cancer patients. Moreover, they reflect changes of the tumor cells on a translational, transcriptional, or genetic level in real-time, enabling the early realization of upcoming resistances. Different studies have already demonstrated that the longitudinal monitoring of the number and properties of circulating tumor cells provide valuable information on therapy response and disease progression. In the case of non-metastatic colorectal cancer patients, the detection rate via established techniques is too low to further analyze potential correlations. This work demonstrates that the Maintrac® method is appropriate for the monitoring of circulating tumor cells during therapy in patients with colorectal cancer of all stages. Although this study´s results confirm reported trends, further studies with bigger patients´ collectives have to show, which conclusions for therapy decisions may be implicated from the profile of circulating tumor cells during therapy of colorectal cancer patients.

Abstract in weiterer Sprache

Mit immer weiter fortschreitendem biochemischen Verständnis, sowie der Entwicklung von zielgerichteten Therapien, steht seit Beginn des 21. Jahrhunderts nunmehr die Individualisierung der Tumortherapie für den jeweiligen Patienten und dessen Tumor im Fokus der Krebsforschung. Trotz aller Fortschritte sind in 90% der Fälle Chemoresistenzen für das Scheitern einer Therapie verantwortlich. Aus diesem Grund besteht ein enormer Bedarf an neuen Wirkstoffen, welche insbesondere resistente Tumorzellen adressieren, aber auch an neuartigen Biomarkern, welche ein frühzeitiges Erkennen be- oder entstehender Resistenzen ermöglichen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden präklinische Untersuchungen neuer, potentieller Wirkstoff-kandidaten durchgeführt, welche jeweils in unterschiedlicher Weise für die Umgehung von Chemoresistenzen konzipiert worden waren. Auch die Aufklärung der jeweiligen Wirkmechanismen auf molekularer Ebene stand hierbei im Fokus. Zwei neuartige Wirkstoffserien hatten hierbei die Umgehung der durch p53-Mutation hervorgerufenen Chemoresistenz zum Ziel. Da p53 eine Schlüsselrolle in der Einleitung von Apoptose zukommt, sind betroffene Zellen wesentlich insensitiver bis resistent gegen Apoptose-induzierende Stimuli, wie beispielsweise chemotherapeutische Wirkstoffe. In dieser Arbeit werden neuartige Ruthenium(II)- und Gold(I)-Komplexe untersucht, die p53-unabhängig Apoptose induzieren können. Ein von Lawson (2-Hydroxy-1,4-naphthoquinon), dem Farb- und Wirkstoff der Hennapflanze, abgeleiteter Benzochromen-Ruthenium(II)-Komplex umgeht hierbei die p53-Abhängigkeit durch die Induktion zellulärer Seneszenz. Die Therapie-induzierte Seneszenz stellt eine potentielle Alternative zur konventionellen, zytotoxischen Chemotherapie dar und birgt weitere Vorteile: da ihr Ziel nicht die Elimination maligner Zellen, sondern die irreversible Inhibition ihrer Proliferation ist, könnten so insbesondere in der Langzeitbehandlung bestimmter Krebsarten Nebenwirkungen für den Patienten reduziert werden. Auch [1,3-diethyl-4,5-diarylimidazol-2-yliden](L)-Gold(I)-NHC-Komplexe überzeugten durch ihre vom p53-Mutationsstatus unabhängige Wirksamkeit gegen Tumorzellen. Durch konfokal-mikroskopische Studien an 518A2 Melanomzellen konnte ihre Organell-spezifische Aufnahme beobachtet werden, welche hauptsächlich von der Natur des Liganden L bzw. von diesem bestimmt, von der Ladung, Größe und Lipophilie der Komplexe abhängig ist. Diese Erkenntnisse könnten für das rationale Design von Target-spezifischen metallbasierten Wirkstoffen mit besonderer Effektivität gegen Apoptose-resistente Tumore von großer Bedeutung sein. Topoisomerase I-Inhibitoren sind etablierte antitumorale Wirkstoffe, die klinisch vor allem im Rahmen von Kombinationsregimen eingesetzt werden. Eine große Problematik stellt auch in diesem Fall die hohe Rate der Resistenzentwicklung dar. Wirkstoffe der Camptothecin-Familie, wie Topotecan oder Irinotecan, sind aktuell die einzigen Topoisomerase I-spezifischen Substanzen mit klinischer Zulassung. Da Camptothecin-Resistenz in vielen Fällen maßgeblich von der Struktur des Wirkstoffes abhängig ist, kann diese potentiell durch die Einführung einer strukturell neuartigen Klasse an Topoisomerase I-Inhibitoren umgangen werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnten innerhalb einer Serie von Kupfer(II)-Komplexen mit Schiff-Base ähnlichen Liganden durch Zytotoxizitätstests drei besonders aktive Verbindungen identifiziert werden, welche das Enzym Topoisomerase I inhibieren. Da diese Verbindungen, im Gegensatz zu bereits bekannten Kupferkomplexen mit Topoisomerase I-inhibierender Wirkung, weder eine Interaktion mit DNA, noch einen Einfluss auf die intrazelluläre Konzentration an reaktiven Sauerstoffspezies zeigten, stellen sie interessante Wirkstoffkandidaten für weitere Studien dar. Eine weitere Möglichkeit zur Umgehung von Chemoresistenzen sind pleiotrope Wirkstoffe, das heißt Substanzen, die mehrere zelluläre Targets gleichzeitig adressieren. Abgeleitet vom bisher erfolgreichsten Konzept zur Vermeidung von Resistenzen - der Polychemotherapie - sollen diese Wirkstoffe zur Vermeidung starker Nebenwirkungen, sowie pharmakokinetischer Diskrepanzen zwischen den einzelnen Kombinationswirkstoffen beitragen. In dieser Arbeit wurde eine Serie an multimodalen Thienopyrimidon-Derivaten bezüglich ihrer antitumoralen Eigenschaften untersucht. Strukturell vereinen diese Verbindungen das 3,4,5-Trimethoxyphenyl-Fragment, welches an ß-Tubulin bindet, mit dem biologisch aktiven Thieno[2,3-d]pyrimidon-Pharmakophor. Mittels verschiedener in vitro und in vivo Tests konnte innerhalb der getesteten Serie neuartiger Verbindungen ein Derivat identifiziert werden, welches mit verbesserter Aktivität und Verträglichkeit eine Weiterentwicklung der literaturbekannten Leitstruktur darstellt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde mit Hilfe einer klinischen proof-of-principle Studie ein potentielles Monitoring-Verfahren zur frühzeitigen Erkennung des Therapieansprechens bei Patienten mit kolorektalem Karzinom untersucht. Zirkulierende Tumorzellen stellen das Bindeglied zwischen Primärtumor und Fernmetastasen dar, und können im Blut von Tumorpatienten relativ einfach quantifiziert und charakterisiert werden. Darüber hinaus spiegeln sie Veränderungen des Tumors auf translationaler, transkriptionaler oder genetischer Ebene in Echtzeit wieder, wodurch auch entstehende Resistenzen frühzeitig erkannt werden können. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die longitudinale Überwachung der Anzahl und Eigenschaften der zirkulierenden Tumorzellen im Blut von Krebspatienten wertvolle Informationen bezüglich des Ansprechens einer Therapie oder dem Fortschreiten der Erkrankung beisteuern kann. Im Falle nicht metastasierter Patienten mit kolorektalem Karzinom, jedoch, ist die Detektionsrate unter Verwendung etablierter Methoden zu gering um mögliche Zusammenhänge zu untersuchen. In dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass die Maintrac®-Methode ein geeignetes Verfahren für das Stadien-unabhängige Monitoring zirkulierender Tumorzellen im Therapieverlauf bei Patienten mit kolorektalem Karzinom darstellt. Obwohl die gewonnenen Ergebnisse bereits in der Literatur beschriebene Trends bestätigen, müssen weitere Studien mit größeren Patientenkollektiven zeigen, welche Schlussfolgerungen aus dem CETC-Verlauf der Patienten für Therapieentscheidungen gezogen werden könnten.