The impact of intraclonal heterogeneity on the outcomes of Multiple Myeloma patients treated with new drugs

Understanding the biology of Multiple Myeloma (MM) is of primary importance in the struggle to achieve a cure for this yet incurable neoplasm. A better knowledge of the mechanism underlying the development of MM can guide us in the development of new treatment strategies. Studies both on solid and haematological tumours have shown that cancer comprises a collection of related but subtly different clones, a feature that has been termed “intra-clonal heterogeneity”. This intra-clonal heterogeneity is likely, from a “Darwinian” natural selection perspective, to be the essential substrate for cancer evolution, disease progression and relapse. In this context the critical mechanism for tumour progression is competition between individual clones (and cancer stem cells) for the same microenvironmental “niche”, combined with the process of adaptation and natural selection. The Darwinian behavioural characteristics of cancer stem cells are applicable to MM. The knowledge that intra-clonal heterogeneity is an important feature of tumours’ biology has changed our way to addressing cancer, now considered as a composite mixture of clones and not as a linear evolving disease. In this variable therapeutic landscape it is important for clinicians and researchers to consider the impact that evolutionary biology and intra-clonal heterogeneity have on the treatment of myeloma and the emergence of treatment resistance. It is clear that if we want to effectively cure myeloma it is of primarily importance to understand disease biology and evolution. Only by doing so will we be able to effectively use all of the new tools we have at our disposal to cure myeloma and to use treatment in the most effective way possible. The aim of the present research project was to investigate at different levels the presence of intra-clonal heterogeneity in MM patients, and to evaluate the impact of treatment on clonal evolution and on patients’ outcomes.

Nuovi protocolli chemioterapici per i sarcomi dei tessuti molli ad alto grado di malignita' negli adulti: Risultati clinici, radiologici e istologici comparando chemioterapia standard e orientata sull'isotopo

I sarcomi dei tessuti molli sono un gruppo eterogeneo di tumori maligni di origine mesenchimale che si sviluppa nel tessuto connettivo. Il controllo locale mediante escissione chirurgica con margini ampi associato alla radioterapia e chemioterapia è il trattamento di scelta. Negli ultimi anni le nuove scoperte in campo biologico e clinico hanno sottolineato che i diversi istotipi posso essere considerati come entità distinte con differente sensibilità alla chemioterapia pertanto questa deve essere somministrata come trattamento specifico basato sull’istologia. Tra Ottobre 2011 e Settembre 2014 sono stati inclusi nel protocollo di studio 49 pazienti con sarcomi dei tessuti molli di età media alla diagnosi 48 anni (range: 20 - 68 anni). I tumori primitivi più frequenti sono: liposarcoma mixoide, sarcoma pleomorfo indifferenziato, sarcoma sinoviale. Le sedi di insorgenza del tumore erano più frequentemente la coscia, il braccio e la gamba. 35 pazienti sono stati arruolati nel Braccio A e trattati con chemioterapia standard con epirubicina+ifosfamide, 14 sono stati arruolati nel Braccio B e trattati con chemioterapia basata sull’istotipo. I dati emersi da questo studio suggeriscono che le recidive locali sembrano essere correlate favorevolmente alla radioterapia ed ai margini chirurgici adeguati mentre la chemioterapia non sembra avere un ruolo sul controllo locale della malattia. Anche se l'uso di terapie mirate, che hanno profili di tossicità più favorevoli e sono quindi meglio tollerate rispetto ai farmaci citotossici è promettente, tali farmaci hanno prodotto finora risultati limitati. Apparentemente l’insieme delle terapie mirate non sembra funzionare meglio delle terapie standard, tuttavia esse devono essere esaminate per singolo istotipo e confrontate con il braccio di controllo. Sono necessari studi randomizzati controllati su ampie casistiche per valutare l’efficacia delle terapie mirate sui differenti istotipi di sarcomi dei tessuti molli. Inoltre, nuovi farmaci, nuove combinazioni e nuovi schemi posologici dovranno essere esaminati per ottimizzare la terapia.

Efficacia e sicurezza della profilassi anti-citomegalovirus rispetto alla strategia pre-sintomatica con valganciclovir in pazienti con trapianto di cuore trattati con everolimus o micofenolato

Il CMV è l’agente patogeno più frequente dopo trapianto (Tx) di cuore determinando sia sindromi cliniche organo specifiche sia un danno immunomediato che può determinare rigetto acuto o malattia coronarica cronica (CAV). I farmaci antivirali in profilassi appaiono superiori all’approccio pre-sintomatico nel ridurre gli eventi da CMV, ma l’effetto anti-CMV dell’everolimus (EVE) in aggiunta alla profilassi antivirale non è stato ancora analizzato. SCOPO DELLO STUDIO: analizzare l’interazione tra le strategie di profilassi antivirale e l’uso di EVE o MMF nell’incidenza di eventi CMV correlati (infezione, necessità di trattamento, malattia/sindrome) nel Tx cardiaco. MATERIALI E METODI: sono stati inclusi pazienti sottoposti a Tx cardiaco e trattati con EVE o MMF e trattamento antivirale di profilassi o pre-sintomatico. L’infezione da CMV è stata monitorata con antigenemia pp65 e PCR DNA. La malattia/sindrome da CMV è stato considerato l’endpoint principale. RISULTATI: 193 pazienti (di cui 10% D+/R-) sono stati inclusi nello studio (42 in EVE e 149 in MMF). Nel complesso, l’infezione da CMV (45% vs. 79%), la necessità di trattamento antivirale (20% vs. 53%), e la malattia/sindrome da CMV (2% vs. 15%) sono risultati significativamente più bassi nel gruppo EVE che nel gruppo MMF (tutte le P<0.01). La profilassi è più efficace nel prevenire tutti gli outcomes rispetto alla strategia pre-sintomatica nei pazienti in MMF (P 0.03), ma non nei pazienti in EVE. In particolare, i pazienti in EVE e strategia pre-sintomatica hanno meno infezioni da CMV (48 vs 70%; P=0.05), e meno malattia/sindrome da CMV (0 vs. 8%; P=0.05) rispetto ai pazienti in MMF e profilassi. CONCLUSIONI: EVE riduce significamene gli eventi correlati al CMV rispetto al MMF. Il beneficio della profilassi risulta conservato solo nei pazienti trattati con MMF mentre l’EVE sembra fornire un ulteriore protezione nel ridurre gli eventi da CMV senza necessità di un estensivo trattamento antivirale.

Analisi preclinica di nuove strategie terapeutiche basate sull'inibizione di protein-chinasi nell'osteosarcoma.

Scopo: L’obiettivo del presente programma di studio è stato quello di identificare e validare nuovi possibili bersagli terapeutici per l’osteosarcoma (OS) partendo dall’analisi del chinoma umano. Risultati: L’analisi del profilo di espressione genica ottenuta su 21 campioni clinici di OS ad alto grado di malignità ha permesso di selezionare le seguenti chinasi di possibile rilevanza biologica per l’OS: AURK-A, AURK-B, CDK2, PIK3CA, PLK-1. Le chinasi selezionate sono state validate tramite RNA interference. Successivamente è stata valutata l’efficacia dei relativi inibitori specifici: VX-680 e ZM-447439 inibitori delle Aurora-chinasi, Roscovitina di CDK2 e NMS1 di PLK-1, già inclusi in studi clinici. In termini d’inibizione della crescita cellulare le linee sono risultate maggiomente sensibili ai farmaci VX-680 e NMS1. E’ stata osservata una minor sensibilità ai farmaci VX-680, ZM447439 e NMS1 nelle linee doxorubicina(DX)-resistenti (caratterizzate da elevati livelli di espressione di ABCB1), indicando questi farmaci come potenziali substrati di ABCB1. La Roscovitina, nonostante i valori di IC50 elevati, non sembrerebbe substrato di ABCB1. La validazione preclinica di VX-680 e ZM447439 è stata completata. La forte inibizione della crescita è causata da endoreduplicazione per mancata citodieresi con conseguente formazione di una popolazione iperploide e apoptosi. Inoltre, VX-680 inibisce la motilità e la capacità di formare colonie. Esperimenti di associazione farmacologica mostrano che VX-680 interagisce positivamente con tutti i chemioterapici convenzionali impiegati nel trattamento dell’OS. NMS-1 produce interazioni positive con la DX in linee cellulari DX-resistenti, probabilmente grazie all’effetto revertante esercitato su ABCB1. La Roscovitina produce interazioni positive con CDDP e DX nelle varianti resistenti, effetto probbilmente dovuto al ruolo di CDK2 nei meccanismi di riparo del DNA. Conclusioni: L’analisi in vitro dell’attività degli inibitori ha permesso di identificare VX-680 come nuovo farmaco di potenziale interesse clinico, soprattutto in virtù delle sue interazioni sinergiche con i chemioterapici di uso convenzionale nel trattamento dell’osteosarcoma.

Design and Synthesis of Naphthalene Diimides Based Small Molecules as Anticancer Agents: Targeting the Polyamine Transporter, G-quadruplex Structures and HDAC

Cancer is a multifactorial disease characterized by a very complex etiology. Basing on its complex nature, a promising therapeutic strategy could be based by the “Multi-Target-Directed Ligand” (MTDL) approach, based on the assumption that a single molecule could hit several targets responsible for the pathology. Several agents acting on DNA are clinically used, but the severe deriving side effects limit their therapeutic application. G-quadruplex structures are DNA secondary structures located in key zones of human genome; targeting quadruplex structures could allow obtaining an anticancer therapy more free from side effects. In the last years it has been proved that epigenetic modulation can control the expression of human genes, playing a crucial role in carcinogenesis and, in particular, an abnormal expression of histone deacetylase enzymes are related to tumor onset and progression. This thesis deals with the design and synthesis of new naphthalene diimide (NDI) derivatives endowed with anticancer activity, interacting with DNA together with other targets implicated in cancer development, such as HDACs. NDI-polyamine and NDI-polyamine-hydroxamic acid conjugates have been designed with the aim to provide potential MTDLs, in order to create molecules able simultaneously to interact with different targets involved in this pathology, specifically the G-quadruplex structures and HDAC, and to exploit the polyamine transport system to get selectively into cancer cells. Macrocyclic NDIs have been designed with the aim to improve the quadruplex targeting profile of the disubstituted NDIs. These compounds proved the ability to induce a high and selective stabilization of the quadruplex structures, together with cytotoxic activities in the micromolar range. Finally, trisubstituted NDIs have been developed as G-quadruplex-binders, potentially effective against pancreatic adenocarcinoma. In conclusion, all these studies may represent a promising starting point for the development of new interesting molecules useful for the treatment of cancer, underlining the versatility of the NDI scaffold.

Evaluation of Antitumoral activity of bone targeted drugs/conventional chemotherapies and identification of biomarkers for the selection of patients with breast cancer for the bone targeted therapy in adjuvant setting

Bone metastases are responsible for different clinical complications defined as skeletal-related events (SREs) such as pathologic fractures, spinal cord compression, hypercalcaemia, bone marrow infiltration and severe bone pain requiring palliative radiotherapy. The general aim of these three years research period was to improve the management of patients with bone metastases through two different approaches of translational research. Firstly in vitro preclinical tests were conducted on breast cancer cells and on indirect co-colture of cancer cells and osteoclasts to evaluate bone targeted therapy singly and in combination with conventional chemotherapy. The study suggests that zoledronic acid has an antitumor activity in breast cancer cell lines. Its mechanism of action involves the decrease of RAS and RHO, as in osteoclasts. Repeated treatment enhances antitumor activity compared to non-repeated treatment. Furthermore the combination Zoledronic Acid + Cisplatin induced a high antitumoral activity in the two triple-negative lines MDA-MB-231 and BRC-230. The p21, pMAPK and m-TOR pathways were regulated by this combined treatment, particularly at lower Cisplatin doses. A co-colture system to test the activity of bone-targeted molecules on monocytes-breast conditioned by breast cancer cells was also developed. Another important criticism of the treatment of breast cancer patients, is the selection of patients who will benefit of bone targeted therapy in the adjuvant setting. A retrospective case-control study on breast cancer patients to find new predictive markers of bone metastases in the primary tumors was performed. Eight markers were evaluated and TFF1 and CXCR4 were found to discriminate between patients with relapse to bone respect to patients with no evidence of disease. In particular TFF1 was the most accurate marker reaching a sensitivity of 63% and a specificity of 79%. This marker could be a useful tool for clinicians to select patients who could benefit for bone targeted therapy in adjuvant setting.

Optimization of molecular and crystalline forms of drugs, agrochemicals, pesticides in relation to activity, bioavailability, patentability and to the fabrication of polymorphs, solvates, co-crystals with green chemistry methods

This doctorate was funded by the Regione Emilia Romagna, within a Spinner PhD project coordinated by the University of Parma, and involving the universities of Bologna, Ferrara and Modena. The aim of the project was: - Production of polymorphs, solvates, hydrates and co-crystals of active pharmaceutical ingredients (APIs) and agrochemicals with green chemistry methods; - Optimization of molecular and crystalline forms of APIs and pesticides in relation to activity, bioavailability and patentability. In the last decades, a growing interest in the solid-state properties of drugs in addition to their solution chemistry has blossomed. The achievement of the desired and/or the more stable polymorph during the production process can be a challenge for the industry. The study of crystalline forms could be a valuable step to produce new polymorphs and/or co-crystals with better physical-chemical properties such as solubility, permeability, thermal stability, habit, bulk density, compressibility, friability, hygroscopicity and dissolution rate in order to have potential industrial applications. Selected APIs (active pharmaceutical ingredients) were studied and their relationship between crystal structure and properties investigated, both in the solid state and in solution. Polymorph screening and synthesis of solvates and molecular/ionic co-crystals were performed according to green chemistry principles. Part of this project was developed in collaboration with chemical/pharmaceutical companies such as BASF (Germany) and UCB (Belgium). We focused on on the optimization of conditions and parameters of crystallization processes (additives, concentration, temperature), and on the synthesis and characterization of ionic co-crystals. Moreover, during a four-months research period in the laboratories of Professor Nair Rodriguez-Hormedo (University of Michigan), the stability in aqueous solution at the equilibrium of ionic co-crystals (ICCs) of the API piracetam was investigated, to understand the relationship between their solid-state and solution properties, in view of future design of new crystalline drugs with predefined solid and solution properties.