Auger-emitter radiochemotherapy in squamous cell cancers : in vitro and in vivo experiments with In-111-BLMC

Head and neck squamous cell cancer (HNSCC) is the sixth most common cancer worldwide. Despite advances in combined modality therapy (surgery, radiotherapy, chemotherapy) the 5-year survival rate in stage III and IV disease remains at 40% - 60%. Short-range Auger-electron emitters, such as In-111 and In-114m, tagged with a drug, molecule, peptide, protein or nanoparticles brought in close proximity to nuclear DNA represent a fascinating alternative for treating cancer. In this thesis, we studied the usefulness of Indium-111-bleomycin complex (In-111-BLMC) in the diagnostics and potential therapy of HNSCC using in vitro HNSCC cell lines, in vivo nude mice, and in vivo HNSCC patients. In in vitro experiments with HNSCC cell lines, the sensitivity to external beam radiation, BLM, In-111-BLMC, and In-111-Cl3 was studied using the 96-well plate clonogenic assay. The influence of BLM and In-111-BLMC on the cell cycle was measured with flow cytometry. In in vivo nude mice xenograft studies, the activity ratios of In-111-BLMC were obtained in gamma camera images. The effect of In-111-BLMC in HNSCC xenografts was studied. In in vivo patient studies, we determined the tumor uptake of In-111-BLMC with gamma camera and the radioactivity from tumor samples using In-111-BLMC with specific activity of 75, 175, or 375 MBq/mg BLM. The S values, i.e. absorbed dose in a target organ per cumulated activity in a source organ, were simulated for In-111 and In-114m. In vitro studies showed the variation of sensitivity for external beam radiation, BLM, and In-111-BLMC between HNSCC cell lines. IC50 values for BLM were 1.6-, 1.8-, and 2.1-fold higher than In-111-BLMC (40 MBq/mg BLM) in three HNSCC cell lines. Specific In-111 activity of 40 MBq/mgBLM was more effective in killing cells than specific In-111 activity of 195MBq/mgBLM (p=0.0023). In-111-Cl3 alone had no killing effect. The percentage of cells in the G2/M phase increased after exposure to BLM and especially to In-111-BLMC in the three cell lines studied, indicating a G2/M block. The tumor-seeking behavior was shown in the in vivo imaging study of xenografted mice. BLM and In-111-BLMC were more effective than NaCl in reducing xenografted tumor size in HNSCC. The uptake ratios received from gamma images in the in vivo patient study varied from 1.2 to 2.8 in malignant tumors. However, the uptake of In-111-BLMC was unaffected by increasing the injected activity. A positive correlation existed between In-111-BLMC uptake, Ki-67/MIB activity, and number of mitoses. Regarding the S values, In-114m delivered a 4-fold absorbed radiation dose into the tumor compared with In-111, and thus, In-114m-BLMC might be more effective than In-111-BLMC at the DNA level. Auger-electron emitters, such as In-111 and In-114m, might have potential in the treatment of HNSCC. Further studies are needed to develop a radiopharmaceutical agent with appropriate physical properties of the radionuclide and a suitable carrier to bring it to the targeted tissue.

Nanoalueen kantaman Auger-elektronisäteilijä syövän hoitoon Auger-elektroneja säteilevä radioaktiivinen isotooppi, liitettynä syöpäsoluun hakeutuvaan sytostaattiin, vasta-aineeseen tai esim. nanopartikkeliin, on potentiaalinen tulevaisuuden syövän hoitomuoto. Auger-elektronien kantama on lyhyt, suurimmillaan n. 0,5 millimetrin miljoonasosaa. Syöpäsoluun tunkeutunut Auger-elektronisäteilijä tuhoaa solun DNA:ta mainitun kantaman sisällä. Pään ja kaulan alueen syövistä noin 90% on levyepiteelisolusyöpiä. Potilaan, jolla on paikallisesti tai laajemmalle levinnyt levyepiteelisyöpä, 5-vuotis eloonjäämisennuste jää nykyisillä yhdistelmähoidoilla (kirurgia, sädehoito, kemoterapia) 40% - 60%:iin. Väitöskirjatutkimuksessa tutkin soluviljely-, eläin- ja potilastöin Indium-111:n (In-111) ja bleomysiinin:n (BLM) yhdistelmän, indium-111-bleomysiinikompleksin (In-111-BLMC), soveltuvuutta levyepiteelisyövän diagnostiikkaan ja hoitoon. BLM on solua tuhoava sytostaatti. Radioaktiivinen isotooppi In-111, jonka puoliintumisaika on 2,8 vuorokautta, säteilee gamma- ja röntgensäteiden lisäksi beta-partikkeleita ja Auger-elektroneja. Soluviljelytöissä In-111-BLMC tuhosi potilaiden syöpäkudoksista eristettyjä syöpäsoluja merkittävästi tehokkaammin kuin pelkkä BLM. Yllättävä tulos oli, että radioaktiivisuudeltaan miedompi In-111-BLMC (40 MBq/mg BLM) oli tehokkaampi syöpäsolujen tuhoaja kuin aktiivisuudeltaan voimakkaampi In-111-BLMC (195 MBq/mg BLM). Mielenkiintoinen tulos oli, että BLM ja varsinkin In-111-BLMC aiheuttivat häiriöitä syöpäsolujen solunjakautumiseen. Koe-eläintutkimuksissa todettiin In-111-BLMC:n hakeutuminen syöpäkudokseen. Hoitokokeessa ihonalaiset syövät pienenivät BLM:a sekä In-111-BLMC:a saaneilla hiirillä. Kymmenelle potilaalle annettiin suoneen vaihtoehtoisesti kolme eri radioaktiivisuuden omaavaa diagnostista annosta In-111-BLMC:a. Gammakamerakuvaus osoitti In-111-BLMC:n hakeutuvan syöpäkudokseen. Syövät kuvautuivat gammakamerakuvissa pienemmälläkin tutkitulla aktiivisuusannoksella. Leikkauksessa otettujen syöpäkudospalojen mitatut radioaktiivisuudet korreloivat gammakamerakuvista laskettuihin kertymiin sekä solunjakautumista kuvaavaan mitoosien määrään. Syöpäpotilaan CT-kuvien perusteella mallinnettiin potilaan suun ja kaulan alueen geometria. Monte Carlo-menetelmällä simuloitiin radioaktiivisen säteilyn fotonien liike sekä laskettiin elimistön eri kudosten säteilyannoksia kuvaavat S-arvot In-111:lle ja In-114m:lle. In-114m on indiumin yksi isotooppi, joka on myös Auger-elektronisäteilijä ja sen puoliintumisaika on 49,5 vuorokautta. In-114m luovutti 4-kertaa suuremman säteilyannoksen kasvaimeen kuin In-111 ja voisi olla In-111:a tehokkaampi isotooppi. Syöpäsolun DNA:n läheisyyteen viety Auger-elektronisäteilijä, esim. In-111 ja In-114m, on potentiaalinen vaihtoehto syövän hoidossa tulevaisuudessa, jonka ominaisuudet saattaisivat myös vähentää hoidon haittavaikutuksia.