Epigenetická studie nukleosidů 5 - azacytidinu a jejich derivátů

Khushboo AGRAWAL, M.Sc.

Doctoral thesis

Abstract:

Methylace DNA hraje klíčovou roli v etiologii nádorů tím, že zprostředkovává epigenetické utlumení exprese genů souvisejících s rozvojem nádorových onemocnění. Poté co byl popsán vztah mezi aberantní methylací DNA a rakovinným bujením bylo vyvinuto velké množství protirakovinných léčiv, které fungují na základě inhibice DNA methylace. Prvním léčivem ovlivňujícím DNA na epigenetické úrovni byl azacytidin a vedlejší produkt jeho syntézy gemcitabin. Tyto dvě látky jsou v současnosti nejvíce používanými léčivy pro snížení methylace DNA v klinické praxi při léčbě hematologických nádorů a vykazují slibné výsledky také v raných fázích klinických studií pro léčbu solidních nádorů. Širší využití těchto léků je bohužel limitováno častým výskytem primární a sekundární rezistence a také jejich značnou nestabilitou ve vodném prostředí, resp. v krevní plazmě. V této studii byl vyvinut vysoce propustný testovací systém (tzv. high-throughput screening) umožňující detekci snížené methylace DNA v jednotlivých savčích buňkách. Tento detekční systém poskytuje velmi efektivní způsob testování velkého množství látek modifikujících epigenetické procesy uvnitř buněk a může tak být využíván jak v primárním tak i v aplikovaném výzkumu protinádorových léčiv. S pomocí tohoto systému byla popsána terapeutická účinnost nově syntetizovaných biodegradabilních polyanhydridových derivátů azanukleosidových léčiv. Bylo zjištěno, že stabilitu hydrolyticky labilních forem azanukleosidových léčiv lze vylepšit jejich vazbou na mikrokuličky. Tato modifikace zabraňuje rozkladu látek ve vodném roztoku a efektivně tak prodlužuje jejich setrvání v krevní plazmě. Detekční systém byl dále použit pro studium vlivu buněk nádorového stromatu na nádorové buňky. Studie ukázala zvýšenou aktivitu látek a tedy výrazný stupeň hypomethylované DNA v nádorech s vysokým zastoupením stromatu. Studie tak poukazuje na možnost predikce efektivity léčby těmito látkami na základě zhodnocení poměrného zastoupení buněk stromatu a nádorových buněk u daného rakovinného onemocnění. Molekulární mechanismy vzniku sekundární rezistence k azanukleosidovým léčivům byly studovány v buňkách nádoru tlustého střeva. Studie odhalila některé geny, které mohou sloužit jako biomarkery pro predikci sensitivity nebo rezistence k azanukleosidovým léčivům a navrhuje také alternativní způsoby léčby, které by umožnily překonání rezistence k azanukleosidovým léčivům.

Abstract:

DNA methylation plays a pivotal role in the etiology of cancer by mediating epigenetic silencing of cancer-related genes. Since the relationship between aberrant DNA methylation and cancer has been understood, there has been a significant amount of research at developing anti-cancer therapies that work by inhibiting DNA methylation. The first epigenetic drugs azacytidine and its congener decitabine are currently most advanced hypomethylating agents in clinic for the treatment of hematological malignancies and have shown promising results in solid tumors in early clinical trials. Yet, the clinical success of these prototypal drugs is limited due to accqusition of primary and secondary resistance, and their hydrolytic instability which decreases their plasma circulation time. In this study, a cell-based DNA demethylation detection system was developed for high throughput screening of potent hypomethylating epi-drugs. The described detection system provides an efficient tool for large-scale epigenetic drug screenings, and would therefore benefit academic and industrial drug discovery. Using this system, the newly synthesized biodegradable, polyanhydride formulations of azanucleoside drugs were characterized for their therapeutic effectiveness and it was found that microbead formulations of the hydrolytically labile azanucleoside drugs could prevent their chemical decomposition in aqueous solution, and effectively increase their plasma circulation time. The detection system was further used to study the effect of stromal cells of the tumor-microenvironment on the response of cancer cells to hypomethylating agents. The study showed the increased activity of hypomethylating agents in high stromal environment which suggests the potential of tumor-stroma ratio for predicting the outcome of epigenetic therapy in cancer. Finally, the molecular mechanism of secondary resistance to azanucleoside drugs was investigated in colorectal cancer. The study revealed the response predicting biomarker genes which may differentiate between resistance and sensitivity to azanucleoside drugs, and further proposes alternative therapeutics for overcoming resistance to azanucleosides.

Keywords

epigenetika, DNA metylace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 6. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 30. 8. 2017

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Medicine and Dentistry

Doctoral programme / field:
Paediatrics / Pediatrics