Changes in tumor stiffness for early prediction of tumor response to sorafenib: a proof-of-concept study with elastosonography in an animal model of Hepatocellular Carcinoma (HCC)

Background and aims: Sorafenib is the reference therapy for advanced Hepatocellular Carcinoma (HCC). No method exists to predict in the very early period subsequent individual response. Starting from the clinical experience in humans that subcutaneous metastases may rapidly change consistency under sorafenib and that elastosonography a new ultrasound based technique allows assessment of tissue stiffness, we investigated the role of elastonography in the very early prediction of tumor response to sorafenib in a HCC animal model. Methods: HCC (Huh7 cells) subcutaneous xenografting in mice was utilized. Mice were randomized to vehicle or treatment with sorafenib when tumor size was 5-10 mm. Elastosonography (Mylab 70XVG, Esaote, Genova, Italy) of the whole tumor mass on a sagittal plane with a 10 MHz linear transducer was performed at different time points from treatment start (day 0, +2, +4, +7 and +14) until mice were sacrified (day +14), with the operator blind to treatment. In order to overcome variability in absolute elasticity measurement when assessing changes over time, values were expressed in arbitrary units as relative stiffness of the tumor tissue in comparison to the stiffness of a standard reference stand-off pad lying on the skin over the tumor. Results: Sor-treated mice showed a smaller tumor size increase at day +14 in comparison to vehicle-treated (tumor volume increase +192.76% vs +747.56%, p=0.06). Among Sor-treated tumors, 6 mice showed a better response to treatment than the other 4 (increase in volume +177% vs +553%, p=0.011). At day +2, median tumor elasticity increased in Sor-treated group (+6.69%, range –30.17-+58.51%), while decreased in the vehicle group (-3.19%, range –53.32-+37.94%) leading to a significant difference in absolute values (p=0.034). From this time point onward, elasticity decreased in both groups, with similar speed over time, not being statistically different anymore. In Sor-treated mice all 6 best responders at day 14 showed an increase in elasticity at day +2 (ranging from +3.30% to +58.51%) in comparison to baseline, whereas 3 of the 4 poorer responders showed a decrease. Interestingly, these 3 tumours showed elasticity values higher than responder tumours at day 0. Conclusions: Elastosonography appears a promising non-invasive new technique for the early prediction of HCC tumor response to sorafenib. Indeed, we proved that responder tumours are characterized by an early increase in elasticity. The possibility to distinguish a priori between responders and non responders based on the higher elasticity of the latter needs to be validated in ad-hoc experiments as well as a confirmation of our results in humans is warranted.

Valutazione precoce della risposta a Sorafenib nel Carcinoma Epatocellulare mediante quantificazione dell'Ecografia con contrasto con software Sonotumor

Scopo dello studio: Stabilire se cambiamenti della perfusione di una lesione target di epatocarcinoma (HCC), valutati quantitativamente mediante ecografia con contrasto (CE-US) alla settimana 2 e 4 di terapia con sorafenib, possono predire la progressione di malattia alla settimana 8, valutata con la tomografia computerizzata o la risonanza magnetica con mezzo di contrasto (TC-RM) usando i criteri RECIST/RECIST modificati (response evaluation criteria in solid tumors). Pazienti e metodi: Il comitato etico ha approvato lo studio ed i pazienti hanno fornito un consenso informato scritto prima dell’arruolamento. Lo studio è stato effettuato su un campione di soggetti con epatocarcinoma avanzato o non suscettibile di trattamento curativo, in monoterapia con sorafenib. La valutazione della risposta tumorale è stata effettuata con TC o RM a 2 mesi usando i criteri RECIST/RECIST modificati. La CE-US è stata effettuata entro 1 settimana prima dell’inizio del trattamento con sorafenib e durante la terapia alla settimana 2, 4, 8, 16 e 32. I parametri quantitativi funzionali sono stati ottenuti impiegando un software dedicato. I cambiamenti dei valori dei parametri suddetti tra il tempo zero ed i punti temporali successivi sono stati confrontati con la risposta tumorale basata sui criteri RECIST/RECIST modificati. Risultati: La riduzione dei valori dei parametri relativi alla perfusione tumorale, in particolare di WiAUC e PE (parametri correlati con il volume ematico), al T2/T4 (settimana 2, 4), predice la risposta tumorale a 2 mesi, valutata secondo i criteri RECIST e RECIST modificati, risultata indicativa di malattia stabile (responders). Conclusione: L’ecografia con contrasto può essere impiegata per quantificare i cambiamenti della vascolarizzazione tumorale già alla settimana 2, 4 dopo la somministrazione di sorafenib nei pazienti con HCC. Questi precoci cambiamenti della perfusione tumorale possono essere predittivi della risposta tumorale a 2 mesi e possono avere un potenziale nella valutazione precoce dell'efficacia della terapia antiangiogenica nell’epatocarcinoma.

Prospettive di terapia sistemica combinata sorafenib + capecitabina per l'epatocarcinoma. Valutazione nel modello animale e ruolo dell'imaging ad ultrasuoni

Il Sorafenib è l’unica terapia sistemica approvata per l’epatocarcinoma (HCC) avanzato. Tuttavia, molti tumori sviluppano resistenze. La chemioterapia metronomica sembrerebbe avere un effetto antiangiogenetico. La Capecitabina metronomica è potenzialmente efficace nell’HCC avanzato. Lo scopo dello studio è stato valutare il comportamento di un modello murino di HCC sottoposto a Sorafenib, Capecitabina e terapia combinata, per dimostrarne un eventuale effetto sinergico. Il modello è stato creato in topi scid mediante inoculazione sottocutanea di 5 milioni di cellule HuH7. I topi sono stati suddivisi in 4 gruppi: gruppo 1 sottoposto a terapia con placebo (9 topi), gruppo 2 a Sorafenib (7 topi), gruppo 3 a Capecitabina (7 topi) e gruppo 4 a terapia combinata Sorafenib+Capecitabina (10 topi). I topi sono stati studiati al giorno 0 e 14 con ecografia B-mode e con mezzo di contrasto (CEUS). Al giorno 14 sono stati sacrificati e i pezzi tumorali sono stati conservati per l’analisi Western Blot. Un topo del gruppo 1 e 4 topi del gruppo 4 sono morti precocemente e quindi sono stati esclusi. Il delta di crescita tumorale al giorno 14 rispetto al giorno 0 è risultato di +503 %, +158 %, +462 % e +176 % rispettivamente nei 4 gruppi (p<0.05 tra i 4 gruppi, tra il gruppo 1 e 2, tra il gruppo 1 e 4, tra il gruppo 2 e 3, tra il gruppo 3 e 4). Alla CEUS non si sono evidenziate differenze statisticamente significative nei cambiamenti di perfusione tumorale al giorno 14 nei 4 gruppi. L’analisi Western Blot ha mostrato livelli di VEGFR-2 inferiori nel gruppo dei topi trattati con Sorafenib. La terapia di associazione di Sorafenib e Capecitabina non comporta un beneficio, in termini di riduzione della crescita tumorale, in un modello murino di HCC rispetto al solo Sorafenib. Inoltre, può essere sospettato un incremento di tossicità.

Studio dei profili di espressione dei microRNA nell'epatocarcinoma umano

Il carcinoma epatocellulare (HCC) è il più frequente tumore maligno del fegato e rappresenta il sesto tipo di tumore più comune nel mondo. Spesso i pazienti con HCC vengono diagnosticati a stadi piuttosto avanzati, quando le uniche opzioni terapeutiche in grado di migliorarne la sopravvivenza sono la chemoembolizzazione dell'arteria epatica ed il trattamento con l'inibitore multi-cinasico, Sorafenib. In questo contesto, la scoperta del ruolo centrale dei microRNA (miRNA) nella tumorigenesi umana risulta di fondamentale importanza per lo sviluppo di nuovi marcatori diagnostici e bersagli terapeutici. I microRNA (miRNA) sono delle piccole molecole di RNA non codificante, della lunghezza di 19-22 nucleotidi, filogeneticamente molto conservati, ed esercitano un ruolo cruciale nella regolazione di importanti processi fisiologici, quali sviluppo, proliferazione, differenziamento, apoptosi e risposta a numerosi segnali extracellulari e di stress. I miRNA sono inoltre responsabile della fine regolazione dell'espressione di centinaia di geni bersaglio attraverso il blocco della traduzione o la degradazione dell'mRNA target. Studi di profiling hanno evidenziato l'espressione aberrante di specifici miRNA in numerosi tipi di tumore umano. Lo scopo del presente lavoro è stato quello di individuare un pannello di miRNA deregolati nell'epatocarcinoma umano e di caratterizzare il ruolo biologico di tre miRNA deregolati nell'HCC, al fine di individuare alcuni dei meccanismi molecolari alla base della trasformazione maligna miRNA-associata. La nostra ricerca è stata inoltre focalizzata nell'individuazione di nuovi bersagli e strumenti terapeutici, quali i microRNA, per il trattamento combinato di HCC in stadio intermedio-avanzato.

Use of VEGFR-2 targeted microbubbles (BR55, Bracco imaging) for the early ultrasound evaluation of response to antiangiogenic treatment in a xenograft model of hepatocarcinoma

Aim: To evaluate the early response to treatment to an antiangiogenetic drug (sorafenib) in a heterotopic murine model of hepatocellular carcinoma (HCC) using ultrasonographic molecular imaging. Material and Methods: the xenographt model was established injecting a suspension of HuH7 cells subcutaneously in 19 nude mice. When tumors reached a mean diameter of 5-10 mm, they were divided in two groups (treatment and vehicle). The treatment group received sorafenib (62 mg/kg) by daily oral gavage for 14 days. Molecular imaging was performed using contrast enhanced ultrasound (CEUS), by injecting into the mouse venous circulation a suspension of VEGFR-2 targeted microbubbles (BR55, kind gift of Bracco Swiss, Geneve, Switzerland). Video clips were acquired for 6 minutes, then microbubbles (MBs) were destroyed by a high mechanical index (MI) impulse, and another minute was recorded to evaluate residual circulating MBs. The US protocol was repeated at day 0,+2,+4,+7, and +14 from the beginning of treatment administration. Video clips were analyzed using a dedicated software (Sonotumor, Bracco Swiss) to quantify the signal of the contrast agent. Time/intensity curves were obtained and the difference of the mean MBs signal before and after high MI impulse (Differential Targeted Enhancement-dTE) was calculated. dTE represents a numeric value in arbitrary units proportional to the amount of bound MBs. At day +14 mice were euthanized and the tumors analyzed for VEGFR-2, pERK, and CD31 tissue levels using western blot analysis. Results: dTE values decreased from day 0 to day +14 both in treatment and vehicle groups, and they were statistically higher in vehicle group than in treatment group at day +2, at day +7, and at day +14. With respect to the degree of tumor volume increase, measured as growth percentage delta (GPD), treatment group was divided in two sub-groups, non-responders (GPD>350%), and responders (GPD<200%). In the same way vehicle group was divided in slow growth group (GPD<400%), and fast growth group (GPD>900%). dTE values at day 0 (immediately before treatment start) were higher in non-responders than in responders group, with statistical difference at day 2. While dTE values were higher in the fast growth group than in the slow growth group only at day 0. A significant positive correlation was found between VEGFR-2 tissue levels and dTE values, confirming that level of BR55 tissue enhancement reflects the amount of tissue VEGF receptor. Conclusions: the present findings show that, at least in murine experimental models, CEUS with BR55 is feasable and appears to be a useful tool in the prediction of tumor growth and response to sorafenib treatment in xenograft HCC.

L’inibizione della lattico deidrogenasi: una possibile strategia per migliorare il trattamento farmacologico del carcinoma epatocellulare

Il lavoro svolto nel corso del mio dottorato ha avuto per oggetto lo studio dell’ inibizione della glicolisi aerobia (il principale processo metabolico utilizzato dalle cellule neoplastiche per produrre energia) ottenuta mediante il blocco dell’enzima lattato deidrogenasi (LDH). La mia attività si è concentrata sulla possibilità di utilizzare questo approccio allo scopo di migliorare l’efficacia della terapia antitumorale, valutandone gli effetti su colture di carcinoma epatocellulare umano Inizialmente, per valutare gli effetti della inibizione della LDH, è stato usato l’acido ossamico ( OXA). Questo composto è l’unico inibitore noto specifico per LDH ; è una molecola non tossica in vivo, ma attiva a concentrazioni troppo elevate per consentirne un uso terapeutico. Un importante risultato ottenuto è stata la dimostrazione che l’ inibizione della LDH ottenuta con OXA non è solo in grado di innescare una risposta di morte nelle cellule trattate, ma, associata alla somministrazione di sorafenib, aumenta fortemente l’efficacia di questo farmaco, determinando un effetto di sinergismo. Questo forte effetto di potenziamento dell’azione del farmaco è stato spiegato con la dimostrazione che il sorafenib ha la capacità di inibire il consumo di ossigeno delle cellule trattate, rendendole più dipendenti dalla glicolisi. Grazie alla collaborazione con il Dipartimento di Scienze Farmaceutiche il nostro gruppo di ricerca è arrivato alla identificazione di un composto (galloflavina) che inibisce la LDH con una efficienza molto maggiore di OXA. I risultati preliminari ottenuti sulle cellule di epatocarcinoma suggeriscono che la galloflavina potrebbe essere un composto promettente nel campo degli inibitori metabolici tumorali e inducono a una sua valutazione più approfondita come potenziale farmaco antineoplastico.

Innovative Strategies for the Synthesis of Biologically Active Small Molecules

The post genomic era, set the challenge to develop drugs that target an ever-growing list of proteins associated with diseases. However, an increase in the number of drugs approved every year is nowadays still not observed. To overcome this gap, innovative approaches should be applied in drug discovery for target validation, and at the same time organic synthetic chemistry has to find new fruitful strategies to obtain biologically active small molecules not only as therapeutic agents, but also as diagnostic tools to identify possible cellular targets. In this context, in view of the multifactorial mechanistic nature of cancer, new chimeric molecules, which can be either antitumor lead candidates, or valuable chemical tools to study molecular pathways in cancer cells, were developed using a multitarget-directed drug design strategy. According to this approach, the desired hybrid compounds were obtained by combining in a single chemical entity SAHA analogues, targeting histone deacetylases (HDACs), with substituted stilbene or terphenyl derivatives able to block cell cycle, to induce apoptosis and cell differentiation and with Sorafenib derivative, a multikinase inhibitor. The new chimeric derivatives were characterized with respect to their cytotoxic activity and their effects on cell cycle progression on leukemia Bcr-Abl-expressing K562 cell lines, as well as their HDACs inhibition. Preliminary results confirmed that one of the hybrid compounds has the desired chimeric profile. A distinct project was developed in the laboratory of Dr Spring, regarding the synthesis of a diversity-oriented synthesis (DOS) library of macrocyclic peptidomimetics. From a biological point of view, this class of molecules is extremely interesting but underrepresented in drug discovery due to the poor synthetic accessibility. Therefore it represents a valid challenge for DOS to take on. A build/couple/pair (B/C/P) approach provided, in an efficient manner and in few steps, the structural diversity and complexity required for such compounds.

The inhibition of aerobic glycolysis as a therapeutic approach to improve cancer chemotherapy

The aim of the research project discussed in this thesis was to study the inhibition of aerobic glycolysis, that is the metabolic pathway exploited by cancer cells for the ATP generation. This observation has led to the evaluation of glycolytic inhibitors as potential anticancer agents. Lactate dehydrogenase (LDH) is the only enzyme whose inhibition should allow a blocking of aerobic glycolysis of tumor cells without damaging the normal cells which, in conditions of normal functional activity and sufficient oxygen supply, do not need this enzyme. In preliminar experiments we demonstrated that oxamic acid and tartronic acid, two LDH competitive inhibitors, impaired aerobic glycolysis and replication of cells from human hepatocellular carcinoma. Therefore, we proposed that the depletion of ATP levels in neoplastic cells, could improved the chemotherapeutic index of associated anticancer drugs; in particular, it was studied the association of oxamic acid and multi-targeted kinase inhibitors. A synergistic effect in combination with sorafenib was observed, and we demonstrated that this was related to the capacity of sorafenib to hinder the oxidative phosphorylation, so that cells were more dependent to aerobic glycolysis. These results linked to LDH blockage encouraged us to search for LDH inhibitors more powerful than oxamic acid; thus, in collaboration with the Department of Pharmaceutical Sciences of Bologna University we identified a new molecule, galloflavin, able to inhibit both A and B isoforms of LDH enzyme. The effects of galloflavin were studied on different human cancer cell lines (hepatocellular carcinoma, breast cancer, Burkitt’s lymphoma). Although exhibiting different power on the tested cell lines, galloflavin was constantly found to inhibit lactate and ATP production and to induce cell death, mainly in the form of apoptosis. Finally, as LDH-A is able to bind single stranded DNA, thus stimulating cell transcription, galloflavin effects were also studied on this other LDH function.

Terapie sistemiche dell'epatocarcinoma (HCC): dalla preclinica alla clinica

Introduzione Attualmente i principali punti critici del trattamento dell’HCC avanzato sono: 1) la mancanza di predittori di risposta alla terapia con sorafenib, 2) lo sviluppo resistenze al sorafenib, 3) la mancanza di terapie di seconda linea codificate. Scopo della tesi 1) ricerca di predittori clinico-laboratoristici di risposta al sorafenib in pazienti ambulatoriali con HCC; 2) valutazione dell’impatto della sospensione temporanea-definitiva del sorafenib in un modello murino di HCC mediante tecniche ecografiche; 3) valutazione dell’efficacia della capecitabina metronomica come seconda linea dell’HCC non responsivo a sorafenib. Risultati Studio-1: 94 pazienti con HCC trattato con sorafenib: a presenza di metastasi e PVT-neoplastica non sembra inficiare l’efficacia del sorafenib. AFP basale <19 ng/ml è risultata predittrice di maggiore sopravvivenza, mentre lo sviluppo di nausea di una peggiore sopravvivenza. Studio -2: 14 topi con xenografts di HCC: gruppo-1 trattato con placebo, gruppo-2 trattato con sorafenib con interruzione temporanea del farmaco e gruppo-3 trattato con sorafenib con sospensione definitiva del sorafenib. La CEUS targettata per il VEGFR2 ha mostrato al giorno 13 valori maggiori di dTE nel gruppo-3 confermato da un aumento del VEGFR2 al Western-Blot. I tumori del gruppo-2 dopo 2 giorni di ritrattamento, hanno mostrato un aumento dell’elasticità tissutale all’elastonografia. Studio-3:19 pazienti trattati con capecitabina metronomica dopo sorafenib. Il TTP è stato di 5 mesi (95% CI 0-10), la PFS di 3,6 mesi (95% CI 2,8-4,3) ed la OS di 6,3 mesi (95% CI 4-8,6). Conclusioni Lo sviluppo di nausea ed astenia ed AFP basale >19, sono risultati predittivi di una minore risposta al sorafenib. La sospensione temporanea del sorafenib in un modello murino di HCC non impedisce il ripristino della risposta tumorale, mentre una interruzione definitiva tende a stimolare un “effetto rebound” dell’angiogenesi. La capecitabina metronomica dopo sorafenib ha mostrato una discreta attività anti-neoplastica ed una sicurezza accettabile.