Biofyzikální analýza mechanismu protinádorového působení nových léčiv proti rakovině

Mgr. Jarmila MLČOUŠKOVÁ

Doctoral thesis

Biophysical analysis of mechanisms underlying antitumor effects of new anticancer drugs

Abstract:

Mechanismus účinku protirakovinných léčiv na bázi cisplatiny, používaných v klinické praxi, zahrnuje vazbu na purinové báze DNA. Buněčná odezva na toto poškození DNA primárně vede ke smrti buňky apoptózou nebo nekrózou. Schopnost nádorových buněk rozpoznat poškození a zahájit opravu DNA má však za následek terapeutickou rezistenci a má negativní vliv na terapeutickou účinnost. Jedním z možných směrů ve vývoji nových léčiv je tedy farmakologická inhibice těchto DNA opravných mechanismů. Další zajímavou možností je zvýšení terapeutické účinnosti léčiv, která se již běžně používají v klinické praxi, např. fotoaktivací. Dvojjaderné platinové komplexy obsahující azolový můstek, jako např. [(cis-{Pt-(NH3)2})2(?-OH)(?-pz)]2+ (AMPZ), jsou příkladem léčiv vyvinutých s cílem inhibovat opravu DNA. Ve srovnání s cisplatinou, AMPZ je v některých nádorových liniích výrazně toxičtější a navíc nevykazuje křížovou rezistenci k cisplatině, což je považováno za důsledek malých strukturních změn, které vazba AMPZ v molekule DNA vyvolává. Nízká distorze způsobená tímto novým komplexem s protinádorovým účinkem by mohla mít za následek jeho snížené rozpoznání proteiny DNA opravných mechanismů a zvýšení terapeutické účinnosti ve srovnání s cisplatinou. Naším cílem bylo stanovit rozdíly v interakcích AMPZ a cisplatiny s DNA. Studovali jsme konformaci a opravu polymerní DNA po její modifikaci AMPZ a následně jsme blíže specifikovali energetiku, konformaci a rozlišení krátkých duplexů DNA obsahujících hlavní adukt tohoto komplexu. Poskytli jsme experimentální důkaz toho, že DNA s navázaným AMPZ je v lidských buněčných extraktech méně opravována než je-li modifikována cisplatinou. Dále jsme ukázali, že vazba AMPZ ve struktuře DNA vyvolává pouze malé změny, které nejsou rozpoznávány proteiny specificky se vážícími k poškozené DNA, jako jsou HMGB1 a XPA, které hrají důležitou roli v protinádorové aktivitě platinových léčiv používaných v klinice. Naším cílem bylo rovněž zjistit, zda je klinicky používaná karboplatina vhodným kandidátem na fotoaktivovatelné léčivo. Po ozáření UVA došlo k výraznému zvýšení rychlosti vazby na DNA a ke zvýšení toxicity v nádorových buňkách. Selektivní fotoaktivace karboplatiny, umožněná vývojem laserových a optovláknových technologií, by tedy mohla zvýšit dosavadní terapeutickou účinnost karboplatiny a předejít vzniku rezistence.

Abstract:

The mechanism of action of anticancer platinum drugs used in the clinic, such as cisplatin and its analogues, involves coordination to purine DNA bases. The cellular responses to such DNA damage primarily lead to cell death by apoptosis or necrosis. The ability of cancer cells to recognize damage induced in DNA by platinum antitumor drugs and initiate DNA repair is an important mechanism for therapeutic resistance and has a negative impact upon therapeutic efficacy. A possible direction in designing new drugs is thus focusing on pharmacological inhibition of DNA repair. Another interesting possibility is an enhancement of therapeutic efficacy of drugs already routinely used in the clinic, e.g. by photoactivation. As an attempt aimed at DNA repair inhibition novel antitumor dinuclear azolato-bridged PtII complexes, such as [(cis-{Pt-(NH3)2})2(?-OH)(?-pz)]2+ (AMPZ), were designed and synthesized. The AMPZ complex has exhibited markedly higher toxic effects in some tumor cell lines compared to cisplatin plus circumvention of cross-resistance to cisplatin and it has been suggested that it is a consequence of small structural changes induced in DNA by this new dinuclear PtII complex. Supposingly, these little conformational distortions in DNA represent a structural motif recognized by DNA repair proteins less efficiently than distortions induced by cisplatin and in this way escape repair mechanisms. Our objective was to investigate differences in the DNA interactions between cisplatin and dinuclear azole-bridged PtII complex AMPZ at the level of high-molecular-mass mammalian and plasmid DNAs, oligonucleotides and cell extracts. We studied conformation and repair of polymeric natural DNA after its modification by AMPZ and in succession we further specified the energetics, conformation, and recognition of short DNA duplexes containing a major adduct of this antitumor complex. We provided experimental evidence that modification by AMPZ exhibits reduced DNA repair synthesis in human cell-free extracts and that binding of this complex to DNA induces only small conformational distortions in DNA structure. As a consequence, the AMPZ adducts are not recognized by specific damaged-DNA binding proteins such as HMGB1 and XPA which are known to be important factors modulating antitumor activity of platinum drugs used in the clinic. We also investigated the prospects of photoactivation of carboplatin, an analogue of cisplatin also used in the clinic. It was of our interest to examine whether parent carboplatin can be affected by irradiation with light to the extent that its DNA binding and biological, including cytotoxic, properties are altered. We have found that carboplatin is converted to species capable of enhanced DNA binding by UVA irradiation and consequently its toxicity in cancer cells is markedly enhanced. Enabled by novel medical applications of laser and fiber optic technologies, selective photoactivation of carboplatin by light of appropriate wavelength could benefit treatment outcomes and inhibit acquisition of resistance.

Keywords

protinádorová léčiva, cisplatina, karboplatina, pyrazolát, mechanismus účinku působení protirakovinných léčiv na bázi kovů, syntéza nových léčiv, DNA oprava, proteiny rozlišující poškození DNA, vazba na DNA, DNA můstky, fotoaktivovatelná léčiva, ozáření UVA, terapeutická účinnost, toxicita v nádorových buňkách

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 6. 2012

Accessible from:: 4. 6. 2012

Thesis defence

• Supervisor: Prof. RNDr. Viktor Brabec, DrSc.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics