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Pharmacokinetic and bioimaging studies of platinum-based anticancer complexes by ICP-MS and LA-ICP-MS
Sarah Theiner
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)
Betreuer*in
Bernhard Keppler
DOI
10.25365/thesis.40133
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29429.82574.961559-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Platin(II)-Komplexe (Cisplatin, Carboplatin und Oxaliplatin) gehören zu den effektivsten und meist eingesetzten
Substanzklassen in der Chemotherapie. Platin(IV)-Verbindungen als potenzielle Krebstherapeutika könnten die
Hauptnachteile, die mit klassischer Platin(II)-basierender Chemotherapie verbunden sind, umgehen. Diese
beinhalten schwerwiegende Nebenwirkungen wegen niedriger Selektivität, erworbene und/oder intrinsische
Tumorresistenz und intravenöse Administration. Die Modulation der Koordinationssphäre (insbesondere der axialen
Liganden) bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten pharmakologisch relevante physikochemische Eigenschaften
anzupassen und könnte das Design von effektiven und sicheren Prodrugs für orale Verabreichung ermöglichen.
In dieser Doktorarbeit wurden bioanalytische Methoden basierend auf induktiv gekoppelter Plasma-
Massenspektrometrie (ICP-MS) und Laser Ablation (LA) gekoppelt mit ICP-MS entwickelt und verwendet, um
pharmakokinetische Studien von Platinkomplexen durchzuführen.
Es wurden die pharmakokinetischen Eigenschaften und die Antitumoraktivität im Kolonkarzinoma Mausmodell CT-
26 von zwei neu entwickelten Platin(IV)-Komplexen evaluiert und mit Satraplatin verglichen (der ersten oral
aktiven Platinverbindung in klinischen Studien). Die zwei neuartigen Platin(IV)-Verbindungen zeigten ähnliche in
vivo Aktivität nach oraler Verabreichung, obwohl die in vitro Zytotoxizität und die Platinkonzentrationen in
Gewebe, Tumor und Serum signifikant unterschiedlich waren. Entgegen den Erwartungen war die klinisch getestete
Platinverbindung Satraplatin inaktiv auf dem getesteten Maustumormodell. Die Platinakkumulation in
Gewebeproben von Mäusen, die oral und intraperitoneal mit Platin(IV)-Komplexen behandelt wurden, wurde
mittels Mikrowellenaufschluss und anschließender Platinquantifizierung mit ICP-MS bestimmt. Alle drei getesteten
Platinverbindungen zeigten ein vergleichbares Platinakkumulationsmuster, wobei die höchsten Konzentrationen in
Leber, Niere und Blut gefunden wurden. Komplex 1 zeichnete sich durch hohe Absorption und
Platinkonzentrationen in Gewebeproben nach oraler Verabreichung aus. Satraplatin zeigte niedrigere
Platinkonzentrationen in Tumor, während die niedrigsten Platinmengen in allen Gewebeproben nach Administration
von Komplex 2 nachgewiesen wurden. Es wurde das Verhalten der Platin(IV)-Komplexe zusätzlich mittels
Größenausschlusschromatographie gekoppelt mit ICP-MS in vivo in Mausserumproben untersucht. Die Resultate
weisen auf eine Metabolisierung und Proteinanbindung der Platinverbindung bereits nach zwei Stunden hin.
Im nächsten Schritt wurde eine quantitative LA-ICP-MS Methode, die in unserer Gruppe entwickelt und validiert
wurde, verwendet, um die Platinverteilung in histologisch heterogenen Gewebeproben zu untersuchen, die von
Mäusen stammen, die mit Platinverbindungen behandelt wurden. Im Gegensatz zu Flüssigmessungen mit ICP-MS,
stellt die Quantifizierung mit LA-ICP-MS eine Herausforderung dar, da Fraktionierungsprozesse der Elemente
stattfinden können und oftmals geeignete zertifizierte Referenzmaterialien für bestimmte Anwendungen nicht
verfügbar sind. Unsere Quantifizierungsstrategie basiert auf Kalibrationsstandards, die aus homogenisierter Leber
hergestellt und mit definierten Konzentrationen von flüssigen Metallstandards (z.B. Platin oder Ruthenium) gespikt
wurden. Die Konzentration der Standards wurde mit Mikrowellenaufschluss und anschließender Quantifizierung des
Metalls mittels ICP-MS bestätigt.
In einer weiterführenden Studie wurde die LA-ICP-MS Methode verwendet, um die ortsaufgelöste Platinverteilung
in Tumorgewebe des Kolonkarzinom CT-26 Mausmodells nach mehrmaliger Verabreichung von drei neuartigen
Platin(IV)-Verbindungen im Vergleich zu Oxaliplatin und Satraplatin als Referenzverbindungen zu untersuchen.
Wir konnten zeigen, dass die histologisch bestätigte Tumorheterogenität mit der Platinakkumulation, die mit LAICP-
MS bestimmt wurde, korreliert. Es konnten höhere Platinkonzentrationen im weichen Bindegewebe als in
dichteren Tumorgewebe nachgewiesen werden. Ein anderer Schwerpunkt der Studie lag darin, das Potential des
Platinverteilungsmusters in verschiedenen Substrukturen von Nierengewebe als möglicher Indikator für
Nephrotoxizität zu überprüfen. Oxaliplatin und Satraplatin weisen eine ähnliche Platinverteilung wie Cisplatin auf,
mit höheren Platinkonzentrationen im Kortex der Niere, im Vergleich zur Medulla. Die Behandlung mit den
Verbindungen unserer Studie resultierte jedoch im Gegensatz zum nephrotoxischen Cisplatin nicht in einer
Veränderung der Nierenstrukturen. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass es nicht möglich ist das nephrotoxische
Potential von Platinverbindungen nur anhand der Metallverteilung, die mittels LA-ICP-MS bestimmt wurde,
vorherzusagen.
Abstract
(Englisch)
Platinum(II) complexes (cisplatin, carboplatin and oxaliplatin) are one of the most effectively and widely used
classes of cytostatics in oncological treatment regimens. Platinum(IV) complexes as potential anticancer agents
appear to be capable of overcoming the main limitations associated with classical platinum(II)-based chemotherapy
including severe side effects due to low selectivity, acquired and/or intrinsic tumor resistance and inconvenience of
intravenous administration. The modulation of the coordination sphere (especially of the axial ligands) offers a
variety of opportunities for fine-tuning of pharmacologically relevant physicochemical properties, thus designing
effective and safe prodrugs for oral administration.
In this PhD thesis, bioanalytical approaches based on inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) and
laser ablation (LA) hyphenated to ICP-MS (LA-ICP-MS) were developed and applied for pharmacokinetic and
bioimaging investigations of platinum-based complexes.
The pharmacokinetic behavior together with the anticancer activity of two experimental platinum(IV) complexes
were evaluated in the murine CT-26 colon cancer model in comparison to satraplatin (the first orally active platinum
compound in clinical trials). The two novel platinum(IV) anticancer complexes exhibited similar in vivo anticancer
activity after oral treatment although the in vitro cytotoxicity and the platinum concentrations in tissues, tumor and
serum differed significantly. Unexpectedly, the clinically-tested drug satraplatin proved to be inactive in vivo in the
adopted model. Platinum accumulation in tissues of mice after p.o. and i.p. treatment with the drug candidates was
determined using microwave-assisted acid digestion followed by platinum quantification with ICP-MS. All three
compounds showed a similar pattern of accumulation for platinum with highest amounts in liver, followed by kidney
and blood. Compound 1 ((OC-6-33)-dichloridobis((4-ethoxy)-4-oxobutanoato)-bis(ethylamine)platinum(IV))
features high drug absorption and tissue platinum levels after oral administration. Satraplatin exhibited lower
platinum concentrations in tumor, whereas relatively low platinum amounts were detected in all tissue samples after
treatment with compound 2 ((OC-6-33)-diammine(cyclobutane-1,1-dicarboxylato)-bis((4-cyclopentylamino)-4-
oxobutanoato)platinum(IV)). In addition, the fate of the platinum(IV) complexes in vivo was studied in serum
samples by size exclusion chromatography (SEC) hyphenated to ICP-MS, indicating extensive metabolisation and
protein binding already after 2 h.
In a next step, we used a quantitative LA-ICP-MS approach, developed and validated in our group to get insights
into the platinum distribution in histologically heterogeneous substructures of tissue sections after the treatment with
the platinum complexes under investigation. Quantification with LA-ICP-MS is challenging due to elemental
fractionation processes and certified reference materials are not at hand or unsuitable for many of the applications.
Our quantification approach is based on matrix-matched calibration standards (prepared from homogenized liver)
spiked with defined amounts of the respective metal (e.g. Pt and Ru) from standard solutions. The metal
concentrations of the standards were verified by microwave-assisted acid digestion and consecutive quantification of
the metal by ICP-MS.
Subsequently, the developed quantitative method of analysis by LA-ICP-MS was applied to assess the platinum
distribution upon repetitive treatment with experimental platinum(IV)-based anticancer agents in comparison to
satraplatin and oxaliplatin as reference compounds in tumor tissue of CT-26 bearing mice. We demonstrated that
histologically confirmed tumor heterogeneity correlated well with the platinum accumulation pattern, determined by
LA-ICP-MS. The highest levels of platinum were observed in loose, soft tissue compared to solid parts of the tumor
tissue. Another focus of this study was to assess the potential of the platinum distribution in different compartments
of kidney sections as indicator for nephrotoxicity. Similar to the nephrotoxic anticancer drug cisplatin, oxaliplatin
and satraplatin exhibited elevated platinum levels in the cortex as compared to the medulla. However, treatment with
the compounds in our study did not result in alteration of renal structures. This indicates that the nephrotoxic
potential of platinum-based compounds cannot be predicted solely based on the metal distribution pattern
determined by LA-ICP-MS.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
bioimaging LA-ICP-MS ICP-MS pharmacokinetics metal-based anticancer drugs
Schlagwörter
(Deutsch)
Pharmakokinetische Studien LA-ICP-MS ICP-MS metallbasierende Krebstherapeutika
Autor*innen
Sarah Theiner
Haupttitel (Englisch)
Pharmacokinetic and bioimaging studies of platinum-based anticancer complexes by ICP-MS and LA-ICP-MS
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
111 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Martina Marchetti-Deschmann ,
Norbert Jakubowksi
Klassifikationen
35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines ,
35 Chemie > 35.49 Anorganische Chemie: Sonstiges
AC Nummer
AC13116750
Utheses ID
35550
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |