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Novel insights into the biological activity of ruthenium-based prodrug systems
Beatrix Schönhacker-Alte
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Chemie
Betreuer*innen
Bernhard Keppler ,
Walter Berger
DOI
10.25365/thesis.78848
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-15082.65898.343299-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Durch die Entwicklung neuer und die Verbesserung bestehender Krebstherapien trägt die naturwissenschaftliche Forschung dazu bei, mehr Krebspatient:innen zu heilen oder zumindest lebensverlängernde Behandlungen bei gleichzeitig hoher Lebensqualität zu ermöglichen. Um dieses Ziel zu unterstützen, wurden in dieser Arbeit die folgenden Ziele verfolgt: präklinische Entwicklung neuartiger Metall-Aren-Komplexe als potenzielle Wirkstoffe in der Krebstherapie sowie detaillierte Untersuchung von Faktoren, die die Sensitivität bzw. Resistenz gegenüber dem in klinischer Entwicklung befindlichen Rutheniumkomplex BOLD-100 beeinflussen. Hinsichtlich des ersten formulierten Ziels wählten wir Organoruthenium- und -rhodiumkomplexe aus, deren In-Vivo-Aktivitätsprofil durch die Entwicklung einer Prodrug-Formulierung verbessert werden sollte. Dazu wurden die Komplexe an ein abbaubares Poly(organo)phosphazen-Polymer gekoppelt, dessen Design auf erhöhte Wasserlöslichkeit und gezielte Aktivierung des Wirkstoffs bei Aufnahme in den Tumor ausgelegt wurde. Die im Anschluss an die Synthese und chemische Charakterisierung durchgeführten In-Vivo-Experimente bestätigten den Erfolg des Designs. Hinsichtlich des zweiten Ziels wurden zunächst 23 Krebszelllinien auf ihre Sensitivität gegenüber Behandlung mit BOLD-100 untersucht, um basierend auf den Ergebnissen ein Panel von fünf Zelllinien für die weitergehende Evaluierung auszuwählen. Anschließend an den Nachweis, dass die Sensitivität gegenüber BOLD-100 weder mit erhöhter Rutheniumaufnahme noch mit Sensitivität gegenüber oxidativem Stress oder den Bestandteilen von BOLD-100 korreliert, wurden Unterschiede in der Reaktion der ausgewählten Zelllinien mithilfe biochemischer Studien, einschließlich genomweiter Genexpressionsarrays, identifiziert: Nach Behandlung mit BOLD-100 stoppten intrinsisch resistente Zelllinien ihren Zellzyklus in der G2-Phase. Im Gegensatz dazu führten sensitive Zelllinien den Zelltod durch Aktivierung von Caspase 8 aus. Als auslösendes Ereignis wurde ein einzigartiger Verlust wichtiger zellulärer Chaperone, einschließlich GRP78, in Kombination mit verstärkter Proteinschädigung identifiziert. Ergänzend zu diesen Ergebnissen sollte das Verständnis der Mechanismen von BOLD-100-Sensitivität und -Resistenz vertieft werden. Hierfür wurden beide sensitiven Zelllinien des Panels immer höheren Konzentrationen von BOLD-100 ausgesetzt und als resistente Sublinien CapanR und HCTR etabliert. Die Ergebnisse der vergleichenden Untersuchungen zwischen diesen und den ursprünglichen Zelllinien bestätigten, dass die Resistenz nicht durch verringerte Rutheniumaufnahme verursacht wird. Auch zeigte ein Sensitivitätsscreen mit acht anderen Wirkstoffen keinerlei auffällige Kreuzresistenz. Unabhängig davon verhielten sich die neuen Sublinien ähnlich den intrinsisch resistenten Zelllinien hinsichtlich der Kombinationstherapie mit dem TNF-related apoptosis-inducing Liganden (TRAIL). Zusammengefasst deutete dies erneut auf einen einzigartigen Mechanismus der Wirkung von BOLD-100 und damit auch der Resistenz hin, der in nachfolgenden Studien insbesondere von D. Baier und T. Mendrina eingehend untersucht und entschlüsselt werden konnte. Abschließend konnten die für die vorliegende Doktorarbeit definierten Ziele erreicht und somit ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der biologischen Aktivität von Rutheniumkomplexen geleistet werden.
Abstract
(Englisch)
Scientific research is helping to cure more cancer patients or at least to provide life-prolonging treatments while maintaining a high quality of life through developing new and improving existing cancer therapies. To support this goal, this work aimed to facilitate the preclinical development of novel metal-arene complexes as potential active ingredients in cancer therapy. In addition, factors that influence sensitivity or resistance to the ruthenium complex BOLD-100, which is currently in clinical development, were investigated extensively. Regarding the first aim, we selected organoruthenium and -rhodium complexes whose in vivo activity profile should be improved by developing a prodrug formulation. To achieve this, the complexes were coupled to a degradable poly(organo)phosphazene polymer designed to increase water solubility and targeted activation of the drug upon uptake into the tumor. Following synthesis and chemical characterization, in vivo experiments confirmed the success of the design. Regarding the second aim, 23 cell lines were initially screened for their sensitivity to BOLD-100 treatment and, based on the results, a panel of five cell lines was selected for further evaluation. Following the demonstration that sensitivity to BOLD-100 does not correlate with increased ruthenium uptake, with sensitivity to oxidative stress or the constituents of BOLD-100, differences in the response of the selected cell lines were identified using whole genome expression arrays and further biochemical studies. Upon exposure to BOLD-100, intrinsically resistant cell lines arrested their cell cycle in G2 phase. In contrast, sensitive cell lines executed cell death via activation of caspase 8. A unique depletion of key cellular chaperones including GRP78 in combination with enhanced protein damage was identified as a triggering event. In addition to these results, the understanding of the underlying mechanisms of sensitivity and resistance was expanded. For this purpose, both sensitive cell lines of the panel were exposed to increasing concentrations of BOLD-100 and established as resistant sublines CapanR and HCTR. The results of the comparative studies between the resistant sublines and the original cell lines confirmed that the resistance is not caused by reduced ruthenium uptake. A sensitivity screen with eight other active substances showed no noticeable cross-resistance. Still, the new sublines behaved similarly to the intrinsically resistant cell lines in a combination therapy with the TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL). These results are a further indicator for a unique mode of action of BOLD-100 and thus also for the resistance which were investigated and deciphered in detail in subsequent studies especially by D. Baier and T. Mendrina. In summary, the aims defined for this thesis were achieved and thus an important contribution to the understanding of the biological activity of ruthenium complexes was made.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Ruthenium Bioanorganische Chemie Krebstherapie Wirkstoffentwicklung KP1339 BOLD100 Metabolismus Chemotherapieresistenz ER-Stress
Schlagwörter
(Englisch)
Ruthenium bio inorganic chemistry cancer therapy substance development KP1339 BOLD100 metabolism chemotherapy resistance ER stress
Autor*innen
Beatrix Schönhacker-Alte
Haupttitel (Englisch)
Novel insights into the biological activity of ruthenium-based prodrug systems
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
ix, 149 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Margit Cichna-Markl ,
Michael Grusch
Klassifikation
35 Chemie > 35.79 Biochemie. Sonstiges
AC Nummer
AC17596025
Utheses ID
74954
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |