title: Mechanisms underlying the anticancer activity of novel metal compounds
Creators: name: Baier, Dina Salome
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Prognosen zufolge wird die krebsbedingte Sterblichkeit in vielen Ländern der Welt zur häufigsten Todesursache werden, was den dringenden Bedarf an verbesserten Therapeutika widerspiegelt. Die Erforschung von Wirkmechanismen (MOA) und intrinsischen oder erworbenen Therapieresistenzmechanismen sind integrale Bestandteile der Entwicklung von Krebsmedikamenten. Auch heute noch ist die platinbasierte Chemotherapie trotz schwerwiegender Nebenwirkungen und dosislimitierender Toxizitäten eine tragende Säule der systemischen Krebsbehandlung. Der Rutheniumkomplex BOLD-100 (KP1339) wurde entwickelt, um diese Probleme durch die Verbesserung des spezifischen Tumor-Targetings zu überwinden. Durch den Transport via Albumin reichert sich BOLD-100 gezielt in bösartigem Gewebe an. Die Pro-Drug BOLD-100 wird durch “activation by reduction” aktiviert, aufgrund der im Tumor vorherrschenden reduktiven Bedingungen. Daraufhin induziert BOLD-100 ER-Stress und reduziert die Expression des Chaperons GRP78, was zur ungefalteten Proteinantwort und weiters zum apoptotischen Zelltod führt. Derzeit wird BOLD-100 weltweit in klinischen Phase-Ia/IIb-Studien in Kombination mit FOLFOX evaluiert und zeigt im Vergleich zur Standardtherapie vielversprechende erste Ergebnisse gegen Magen-, Gallengangs- und Darmkrebs. Allerdings stellt (Chemo-)Therapieresistenz immer noch ein großes Hindernis für eine erfolgreiche Krebsbehandlung dar. Daher sollten zugrunde liegende molekulare Mechanismen im Rahmen der (prä)klinischen Entwicklung aufgeklärt werden. Ziel dieser Doktorarbeit war die Analyse von Mechanismen, die den MOAs metallbasierter Chemotherapie – mit besonderem Schwerpunkt auf BOLD-100 – sowie erworbener Therapieresistenz gegen den Rutheniumkomplex zugrunde liegen. Zusammenfassend wurde BOLD-100 in dieser Arbeit als onko-metabolisch aktives Medikament identifiziert, das auf 1) die Glykolyse abzielt und diverse intra- und extrazelluläre Metabolitlevel dereguliert, 2) den Lipidanabolismus durch Reduzierung der zellulären Lipidspeicherkompartimente (Lipidtröpfchen, LD) beeinflusst, und darüber hinaus mit 3) Autophagie und 4) oxidativer Phosphorylierung (OXPHOS) interferiert, was weiters zu 5) epigenetischer Modifikation durch Reduzierung der Histonacetylierung in vitro und in vivo führt. Darmkrebs- und Pankreaskrebszell- und Xenotransplantatmodelle mit erworbener BOLD-100-Resistenz wurden zur Aufklärung von Resistenzmechanismen im Vergleich zu empfindlichen und intrinsisch resistenten Modellen verwendet. Zellen mit erworbener BOLD-100-Resistenz zeichneten sich durch eine stabile GRP78-Expression aus. Zusätzlich wurde erhöhte glykolytische Aktivität als Treiber der erworbenen BOLD-100-Resistenz identifiziert, die zu vermehrter LD-Akkumulation führte, was außerdem mit überlebensfördernder Autophagie verbunden war. Darmkrebszellen mit erworbener BOLD-100-Resistenz zeichneten sich weiters durch Laktatverlust aus, basierend auf dem Verlust der Expression des Laktattransporters MCT1. Darüber hinaus zeigten BOLD-100-resistente Zellen selbst unter BOLD-100-Exposition verstärkte OXPHOS und eine stabile Histonacetylierung. Mittels pharmakologischer Intervention wurde Histondeacetylierung als zentraler MOA von BOLD-100 bestätigt und Stoffwechselprogramme zur Stabilisierung der Histonacetylierung als Achilles Ferse erworbener BOLD-100-resistenter Zell- und Xenotransplantatmodelle verifiziert. Erstmalig wurde BOLD-100 als 6) Paraptose-Auslöser identifiziert. Die-ser Effekt wurde durch das kurzkettige Buttersäure-Derivat Natriumphenylbutyrat verstärkt, was die Induktion von ROS-abhängigem paraptose-ähnlichem Zelltod verstärkte. Die Erkenntnisse dieser Doktorarbeit, insbesondere in Bezug auf die Deregulierung des Krebszell Lipidstoffwechsels, bergen großes Potenzial für die klinische Umsetzung mit dem Ziel die Wirksamkeit von BOLD-100 zu steigern und sinnvolle Kombinationstherapiestrategien zur Überwindung intrinsischer oder erworbener BOLD-100-Resistenz zu entwickeln.
description: Cancer-related mortality is predicted to become the leading cause of death in many countries of the world reflecting the urgent need for improved therapeutics. Dissection of modes of action (MOA) and intrinsic or acquired therapy resistance mechanisms present integral parts in anti-cancer drug development. Today platinum-based chemotherapy is still a mainstay in systemic cancer treatment, despite harsh side effects and dose-limiting toxicities. Ruthenium complex BOLD-100 (KP1339) was designed to overcome these issues by enhancing specific tumor targeting. By hitchhiking albumin, BOLD-100 accumulates specifically inside malignant tissue. Pro-drug BOLD-100 is “activated by reduction” based on prevalent reductive conditions. Subsequently, BOLD-100 induces ER stress and targets chaperone GRP78 expression, leading to unfolded protein response and apoptotic cell death. Currently, BOLD-100 is evaluated globally in clinical phase Ia/IIb studies in combination with FOLFOX showing promising initial results against gastric, biliary tract, and colorectal cancer (CRC) as compared to standard-of-care therapy. However, (chemo)therapy resistance presents a major obstacle in systemic anticancer treatment, and thus, underlying molecular mechanisms should be elucidated along (pre)clinical development. This doctoral thesis aimed at dissection of mechanisms underlying the MOA of metal-based chemotherapy - with special focus on BOLD-100 - as well as acquired therapy resistance against this ruthenium complex. Summarizing, this work identified BOLD-100 as onco-metabolically active drug via targeting 1) glycolysis deregulating intra- and extracellular metabolite levels, 2) lipid anabolism via reduction of cellular lipid storage compartments (lipid droplets, LD), additionally, interference 3) with autophagy, and 4) oxidative phosphorylation (OXPHOS) leading to 5) epigenetic modification via reduction of histone acetylation in vitro and in vivo. Acquired BOLD-100-resistant CRC and pancreatic cancer cell and xenograft models were generated to elucidate resistance mechanisms compared to sensitive and intrinsically resistant models. Acquired BOLD-100-resistant cells were characterized by stable GRP78 expression. Moreover, enhanced glycolytic activity was identified as driver of acquired BOLD-100 resistance fueling increased LD accumulation associated with pro-survival autophagy. Lactate loss characterized acquired BOLD-100-resistant CRC cells based on virtual loss of lactate transporter MCT1 expression. Additionally, BOLD-100 resistant cells showed enhanced OXPHOS and stable histone acetylation even under BOLD-100 exposure. Pharmacologic intervention confirmed histone de-acetylation as central MOA of BOLD-100 and metabolic programs stabilizing histone acetylation as frailty of acquired BOLD-100-resistant cell and xenograft models. Furthermore, BOLD-100 was identified as 6) paraptosis inducer. This effect was boosted by short-chain fatty acid butyrate derivative, sodium phenylbutyrate (PBA), augmenting ROS-dependent paraptosis-like cell death. Finally, the findings of this doctoral thesis, especially concerning deregulation of the cancer cell lipid metabolism, bear potential for clinical translation to enhance BOLD-100 efficacy and suggest rational therapy combination strategies to overcome intrinsic or acquired BOLD-100 resistance.