Increasing DNA repair methyltransferase levels via bone marrow stem cell transduction rescues mice from the toxic effects of 1,3-bis(2-chloroethyl)-1-nitrosourea, a chemotherapeutic alkylating agent.

The chloroethylnitrosourea (CNU) alkylating agents are commonly used for cancer chemotherapy, but their usefulness is limited by severe bone marrow toxicity that causes the cumulative depletion of all hematopoietic lineages (pancytopenia). Bone marrow CNU sensitivity is probably due to the inefficient repair of CNU-induced DNA damage; relative to other tissues, bone marrow cells express extremely low levels of the O6-methylguanine DNA methyltransferase (MGMT) protein that repairs cytotoxic O6-chloroethylguanine DNA lesions. Using a simplified recombinant retroviral vector expressing the human MGMT gene under control of the phosphoglycerate kinase promoter (PGK-MGMT) we increased the capacity of murine bone marrow-derived cells to repair CNU-induced DNA damage. Stable reconstitution of mouse bone marrow with genetically modified, MGMT-expressing hematopoietic stem cells conferred considerable resistance to the cytotoxic effects of 1,3-bis(2-chloroethyl)-1-nitrosourea (BCNU), a CNU commonly used for chemotherapy. Bone marrow harvested from mice transplanted with PGK-MGMT-transduced cells showed extensive in vitro BCNU resistance. Moreover, MGMT expression in mouse bone marrow conferred in vivo resistance to BCNU-induced pancytopenia and significantly reduced BCNU-induced mortality due to bone marrow hypoplasia. These data demonstrate that increased DNA alkylation repair in primitive hematopoietic stem cells confers multilineage protection from the myelosuppressive effects of BCNU and suggest a possible approach to protecting cancer patients from CNU chemotherapy-related toxicity.

A safety run-in and randomized phase 2 study of cilengitide combined with chemoradiation for newly diagnosed glioblastoma (NABTT 0306).

BACKGROUND: Cilengitide is a selective integrin inhibitor that is well tolerated and has demonstrated biologic activity in patients with recurrent malignant glioma. The primary objectives of this randomized phase 2 trial were to determine the safety and efficacy of cilengitide when combined with radiation and temozolomide for patients with newly diagnosed glioblastoma multiforme and to select a dose for comparative clinical testing. METHODS: In total, 112 patients were accrued. Eighteen patients received standard radiation and temozolomide with cilengitide in a safety run-in phase followed by a randomized phase 2 trial with 94 patients assigned to either a 500 mg dose group or 2000 mg dose group. The trial was designed to estimate overall survival benefit compared with a New Approaches to Brain Tumor Therapy (NABTT) Consortium internal historic control and data from the published European Organization for Research and Treatment of Cancer (EORTC) trial EORTC 26981. RESULTS: Cilengitide at all doses studied was well tolerated with radiation and temozolomide. The median survival was 19.7 months for all patients, 17.4 months for the patients in the 500 mg dose group, 20.8 months for patients in the 2000 mg dose group, 30 months for patients who had methylated O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) status, and 17.4 months for patients who had unmethylated MGMT status. For patients aged ≤70 years, the median survival and survival at 24 months was superior to what was observed in the EORTC trial (20.7 months vs 14.6 months and 41% vs 27%, respectively; P = .008). CONCLUSIONS: Cilengitide was well tolerated when combined with standard chemoradiation and may improve survival for patients newly diagnosed with glioblastoma multiforme regardless of MGMT methylation status. The authors concluded that, from an efficacy and safety standpoint, future trials of this agent in this population should use the 2000 mg dose. Cancer 2012. © 2012 American Cancer Society.

Epigenetic deregulation of DNA repair and its potential for therapy.

Epigenetic silencing of essential components of DNA repair pathways is a common event in many tumor types, and comprise O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT), human mut L homolog 1 (hMLH1), Werner syndrome gene (WRN), breast cancer susceptibility gene 1 (BRCA1), and genes of the Fanconi anemia pathway. Most interestingly, some of these alterations become the Achilles heel of the affected tumors upon treatment with certain classes of anticancer agents. That is, patients whose tumors carry such defects can be stratified for respective therapy rendering some classic DNA damaging agents, such as alkylators or DNA crosslinking agents, into "targeted therapies." Here we review some of the affected repair pathways that, when inactivated, sensitize the tumors to specific drugs and are thus exploitable for individualized therapy.

Predictive value of the MGMT promoter methylation status in metastatic melanoma patients receiving first-line temozolomide plus bevacizumab in the trial SAKK 50/07.

The O6-methylguanine-DNA-methyltransferase (MGMT) promoter methylation status is a predictive parameter for the response of malignant gliomas to alkylating agents such as temozolomide. First clinical trials with temozolomide plus bevacizumab therapy in metastatic melanoma patients are ongoing, although the predictive value of the MGMT promoter methylation status in this setting remains unclear. We assessed MGMT promoter methylation in formalin-fixed, primary tumor tissue of metastatic melanoma patients treated with first-line temozolomide and bevacizumab from the trial SAKK 50/07 by methylation-specific polymerase chain reaction. In addition, the MGMT expression levels were also analyzed by MGMT immunohistochemistry. Eleven of 42 primary melanomas (26%) revealed a methylated MGMT promoter. Promoter methylation was significantly associated with response rates CR + PR versus SD + PD according to RECIST (response evaluation criteria in solid tumors) (p<0.05) with a trend to prolonged median progression-free survival (8.1 versus 3.4 months, p>0.05). Immunohistochemically different protein expression patterns with heterogeneous and homogeneous nuclear MGMT expression were identified. Negative MGMT expression levels were associated with overall disease stabilization CR+PR+SD versus PD (p=0.05). There was only a poor correlation between MGMT methylation and lack of MGMT expression. A significant proportion of melanomas have a methylated MGMT promoter. The MGMT promoter methylation status may be a promising predictive marker for temozolomide therapy in metastatic melanoma patients. Larger sample sizes may help to validate significant differences in survival type endpoints.

Contribution of PaTrin-2 in Radiotherapy with Temozolomide for the Treatment of Glioblastoma Expressing MGMT

Purpose/Objective(s): Current standard treatment of glioblastoma is radiotherapy (RT) concomitant with temozolomide (TMZ), an alkylating agent. O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) expression is a major mechanism of resistance to Proceedings of the alkylating agent chemotherapy, and MGMT gene promoter methylation (present in 30-45 % of tumors) has been shown to be predictive for tumor response to TMZ therapy. MGMT, an exhaustible repair protein can be depleted by specific inhibitors such as O6- benzylguanine or the non-toxic O6-(4-bromothenyl)guanine (PaTrin-2). Here we have studied the efficacy of the combination of TMZ, RT, and PaTrin-2 to improve the treatment outcome in glioblastoma expressing MGMT. Materials/Methods: 3 glioblastoma lines were chosen: LN18 and T98G expressing MGMT and U251 lacking MGMT expression. A shRNA approach was used to selectively and permanently knockdown level of MGMT in LN18 line. Cells were treated with 10 mM PaTrin-2. After 2 h, various concentrations of TMZ were added, cells were incubated for 24 h, and clonogenic assays were performed. After the same PaTrin-2 pretreatment and 100 mM TMZ exposure, cells were plated 4 h before irradiation with increasing RT doses of up to 6 Gy. Clonogenic survival was assessed after 14 days. Results: Western blot analysis confirmed that reduction of MGMT expression was achieved in LN18A1 expressing MGMT-targeting shRNA. The shRNA non-targeting control sequence did not influenceMGMTprotein level (LN18NT). PaTrin-2 showed no toxicity at 10 mMon the 5 cell lines. TMZ induced up to 70 and 97%of cell death on LN18A1 and U251, respectively, but was not toxic up to 50 mMfor T98G, LN18, and LN18NT. Up to 53%increased TMZ toxicity was observed on the 5 cell lines when treated with the 2 drugs. Irradiation of the 5 lines treated or not with PaTrin-2 showed no survival difference at any irradiation dose. When LN18A1 and U251 cells were irradiated post TMZ treatment, an up to 2.5 and 139.4 fold increase in toxicity, respectively, was observed compared to un-pretreated controls. By contrast, TMZ pretreatment did not increase irradiation toxicity on T98G, LN18, and LN18NT. When cells were incubated with PaTrin-2 and TMZ before the irradiation, up to 3.7, 3.9, 5.8, 6.6 and 348.5 fold increase in toxicity was observed compared to controls on LN18, LN18NT, LN18A1, T98G and U251, respectively. Conclusions: We present here results of TMZ and PaTrin-2 combination ± RT on glioblastoma lines. U251 and LN18A1 cells were much more sensitive to TMZ than LN18, LN18NT, and T98G. PaTrin-2 enhanced the toxicity of TMZ on the MGMT expressing glioblastoma lines. RT further increased TMZ and PaTrin-2 efficacy. These results are encouraging for the treatment of patients with glioblastoma expressing MGMT who have the worst prognosis and respond poorly to RT combined with TMZ.

Extent and patterns of MGMT promoter methylation in glioblastoma- and respective glioblastoma-derived spheres.

Purpose: Quantitative methylation-specific tests suggest that not all cells in a glioblastoma with detectable promoter methylation of the O6-methylguanine DNA methyltransferase (MGMT) gene carry a methylated MGMT allele. This observation may indicate cell subpopulations with distinct MGMT status, raising the question of the clinically relevant cutoff of MGMT methylation therapy. Epigenetic silencing of the MGMT gene by promoter methylation blunts repair of O6-methyl guanine and has been shown to be a predictive factor for benefit from alkylating agent therapy in glioblastoma. Experimental Design: Ten paired samples of glioblastoma and respective glioblastoma-derived spheres (GS), cultured under stem cell conditions, were analyzed for the degree and pattern of MGMT promoter methylation by methylation-specific clone sequencing, MGMT gene dosage, chromatin status, and respective effects on MGMT expression and MGMT activity. Results: In glioblastoma, MGMT-methylated alleles ranged from 10% to 90%. In contrast, methylated alleles were highly enriched (100% of clones) in respective GS, even when 2 MGMT alleles were present, with 1 exception (<50%). The CpG methylation patterns were characteristic for each glioblastoma exhibiting 25% to 90% methylated CpGs of 28 sites interrogated. Furthermore, MGMT promoter methylation was associated with a nonpermissive chromatin status in accordance with very low MGMT transcript levels and undetectable MGMT activity. Conclusions: In MGMT-methylated glioblastoma, MGMT promoter methylation is highly enriched in GS that supposedly comprise glioma-initiating cells. Thus, even a low percentage of MGMT methylation measured in a glioblastoma sample may be relevant and predict benefit from an alkylating agent therapy. Clin Cancer Res; 17(2); 255-66. (C)2010 AACR.

Extent and Patterns of MGMT Promoter Methylation in Glioblastoma- and Respective Glioblastoma-Derived Spheres.

PURPOSE: Quantitative methylation-specific tests suggest that not all cells in a glioblastoma with detectable promoter methylation of the O6-methylguanine DNA methyltransferase (MGMT) gene carry a methylated MGMT allele. This observation may indicate cell subpopulations with distinct MGMT status, raising the question of the clinically relevant cutoff of MGMT methylation therapy. Epigenetic silencing of the MGMT gene by promoter methylation blunts repair of O6-methyl guanine and has been shown to be a predictive factor for benefit from alkylating agent therapy in glioblastoma. EXPERIMENTAL DESIGN: Ten paired samples of glioblastoma and respective glioblastoma-derived spheres (GS), cultured under stem cell conditions, were analyzed for the degree and pattern of MGMT promoter methylation by methylation-specific clone sequencing, MGMT gene dosage, chromatin status, and respective effects on MGMT expression and MGMT activity. RESULTS: In glioblastoma, MGMT-methylated alleles ranged from 10% to 90%. In contrast, methylated alleles were highly enriched (100% of clones) in respective GS, even when 2 MGMT alleles were present, with 1 exception (<50%). The CpG methylation patterns were characteristic for each glioblastoma exhibiting 25% to 90% methylated CpGs of 28 sites interrogated. Furthermore, MGMT promoter methylation was associated with a nonpermissive chromatin status in accordance with very low MGMT transcript levels and undetectable MGMT activity. CONCLUSIONS: In MGMT-methylated glioblastoma, MGMT promoter methylation is highly enriched in GS that supposedly comprise glioma-initiating cells. Thus, even a low percentage of MGMT methylation measured in a glioblastoma sample may be relevant and predict benefit from an alkylating agent therapy. Clin Cancer Res; 17(2); 255-66. ©2010 AACR.

Predictive value of the MGMT promoter methylation status in metastatic melanoma patients receiving first-line temozolomide plus bevacizumab in the trial SAKK 50/07.

The O6-methylguanine-DNA-methyltransferase (MGMT) promoter methylation status is a predictive parameter for the response of malignant gliomas to alkylating agents such as temozolomide. First clinical trials with temozolomide plus bevacizumab therapy in metastatic melanoma patients are ongoing, although the predictive value of the MGMT promoter methylation status in this setting remains unclear. We assessed MGMT promoter methylation in formalin-fixed, primary tumor tissue of metastatic melanoma patients treated with first-line temozolomide and bevacizumab from the trial SAKK 50/07 by methylation-specific polymerase chain reaction. In addition, the MGMT expression levels were also analyzed by MGMT immunohistochemistry. Eleven of 42 primary melanomas (26%) revealed a methylated MGMT promoter. Promoter methylation was significantly associated with response rates CR + PR versus SD + PD according to RECIST (response evaluation criteria in solid tumors) (p<0.05) with a trend to prolonged median progression-free survival (8.1 versus 3.4 months, p>0.05). Immunohistochemically different protein expression patterns with heterogeneous and homogeneous nuclear MGMT expression were identified. Negative MGMT expression levels were associated with overall disease stabilization CR + PR + SD versus PD (p=0.05). There was only a poor correlation between MGMT methylation and lack of MGMT expression. A significant proportion of melanomas have a methylated MGMT promoter. The MGMT promoter methylation status may be a promising predictive marker for temozolomide therapy in metastatic melanoma patients. Larger sample sizes may help to validate significant differences in survival type endpoints.

A "Trojan horse" strategy to reverse drug-resistance in brain tumors

Los gliomas malignos representan una de las formas más agresivas de los tumores del sistema nervioso central (SNC). De acuerdo con la clasificación de los tumores cerebrales de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los astrocitomas han sido categorizados en cuatro grados, determinados por la patología subyacente. Es así como los gliomas malignos (o de alto grado) incluyen el glioma anaplásico (grado III) así como el glioblastoma multiforme (GBM, grado IV),estos últimos los más agresivos con el peor pronóstico (1). El manejo terapéutico de los tumores del SNC se basa en la cirugía, la radioterapia y la quimioterapia, dependiendo de las características del tumor, el estadio clínico y la edad (2),(3), sin embargo ninguno de los tratamientos estándar es completamente seguro y compatible con una calidad de vida aceptable (3), (4). En general, la quimioterapia es la primera opción en los tumores diseminados, como el glioblastoma invasivo y el meduloblastoma de alto riesgo o con metástasis múltiple, pero el pronóstico en estos pacientes es muy pobre (2),(3). Solamente nuevas terapias dirigidas (2) como las terapias anti-angiogénicas (4); o terapias génicas muestran un beneficio real en grupos limitados de pacientes con defectos moleculares específicos conocidos (4). De este modo, se hace necesario el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas para atacar los tumores cerebrales. Frente a las terapias los gliomas malignos son con frecuencia quimioresistentes, y esta resistencia parece depender de al menos dos mecanismos: en primer lugar, la pobre penetración de muchas drogas anticáncer a través de la barrera hematoencefálica (BBB: Blood Brain Barrier), la barrera del fluido sangre-cerebroespinal (BCSFB: Blood-cerebrospinal fluid barrier) y la barrera sangre-tumor (BTB: blood-tumor barrier). Dicha resistencia se debe a la interacción de la droga con varios transportadores o bombas de eflujo de droga ABC (ABC: ATP-binding cassette) que se sobre expresan en las células endoteliales o epiteliales de estas barreras. En segundo lugar, estos transportadores de eflujo de drogas ABC propios de las células tumorales confieren un fenotipo conocido como resistencia a multidrogas (MDR: multidrug resistance), el cual es característico de varios tumores sólidos. Este fenotipo también está presente en los tumores del SNC y su papel en gliomas es objeto de investigación (5). Por consiguiente el suministro de medicamentos a través de la BBB es uno de los problemas vitales en los tratamientos de terapia dirigida. Estudios recientes han demostrado que algunas moléculas pequeñas utilizadas en estas terapias son sustratos de la glicoproteína P (Pgp: P-gycoprotein), así como también de otras bombas de eflujo como las proteínas relacionadas con la resistencia a multidrogas (MRPs: multidrug resistance-related proteins (MRPs) o la proteína relacionada con cáncer de seno (BCRP: breast-cancer resistance related protein)) que no permiten que las drogas de este tipo alcancen el tumor (1). Un sustrato de Pgp y BCRP es la DOXOrubicina (DOXO), un fármaco utilizado en la terapia anti cáncer, el cual es muy eficaz para atacar las células del tumor cerebral in vitro, pero con un uso clínico limitado por la poca entrega a través de la barrera hematoencefálica (BBB) y por la resistencia propia de los tumores. Por otra parte las células de BBB y las células del tumor cerebral tienen también proteínas superficiales, como el receptor de la lipoproteína de baja densidad (LDLR), que podría utilizarse como blanco terapéutico en BBB y tumores cerebrales. Es asi como la importancia de este estudio se basa en la generación de estrategias terapéuticas que promuevan el paso de las drogas a través de la barrera hematoencefalica y tumoral, y a su vez, se reconozcan mecanismos celulares que induzcan el incremento en la expresión de los transportadores ABC, de manera que puedan ser utilizados como blancos terapéuticos.Este estudio demostró que el uso de una nueva estrategia basada en el “Caballo de Troya”, donde se combina la droga DOXOrubicina, la cual es introducida dentro de un liposoma, salvaguarda la droga de manera que se evita su reconocimiento por parte de los transportadores ABC tanto de la BBB como de las células del tumor. La construcción del liposoma permitió utilizar el receptor LDLR de las células asegurando la entrada a través de la BBB y hacia las células tumorales a través de un proceso de endocitosis. Este mecanismo fue asociado al uso de estatinas o drogas anticolesterol las cuales favorecieron la expresión de LDLR y disminuyeron la actividad de los transportadores ABC por nitración de los mismos, incrementando la eficiencia de nuestro Caballo de Troya. Por consiguiente demostramos que el uso de una nueva estrategia o formulación denominada ApolipoDOXO más el uso de estatinas favorece la administración de fármacos a través de la BBB, venciendo la resistencia del tumor y reduciendo los efectos colaterales dosis dependiente de la DOXOrubicina. Además esta estrategia del "Caballo de Troya", es un nuevo enfoque terapéutico que puede ser considerado como una nueva estrategia para aumentar la eficacia de diferentes fármacos en varios tumores cerebrales y garantiza una alta eficiencia incluso en un medio hipóxico,característico de las células cancerosas, donde la expresión del transportador Pgp se vió aumentada. Teniendo en cuenta la relación entre algunas vías de señalización reconocidas como moduladores de la actividad de Pgp, este estudio presenta no solo la estrategia del Caballo de Troya, sino también otra propuesta terapéutica relacionada con el uso de Temozolomide más DOXOrubicina. Esta estrategia demostró que el temozolomide logra penetrar la BBB por que interviene en la via de señalización de la Wnt/GSK3/β-catenina, la cual modula la expresión del transportador Pgp. Se demostró que el TMZ disminuye la proteína y el mRNA de Wnt3 permitiendo plantear la hipótesis de que la droga al disminuir la transcripción del gen Wnt3 en células de BBB, incrementa la activación de la vía fosforilando la β-catenina y conduciendo a disminuir la β-catenina nuclear y por tanto su unión al promotor del gen mdr1. Con base en los resultados este estudio permitió el reconocimiento de tres mecanismos básicos relacionados con la expresión de los transportadores ABC y asociados a las estrategias empleadas: el primero fue el uso de las estatinas, el cual condujo a la nitración de los transportadores disminuyendo su actividad por la via del factor de transcripción NFκB; el segundo a partir del uso del temozolomide, el cual metila el gen de Wnt3 reduciendo la actividad de la via de señalización de la la β-catenina, disminuyendo la expresión del transportador Pgp. El tercero consistió en la determinación de la relación entre el eje RhoA/RhoA quinasa como un modulador de la via (no canónica) GSK3/β-catenina. Se demostró que la proteína quinasa RhoA promovió la activación de la proteína PTB1, la cual al fosforilar a GSK3 indujo la fosforilación de la β-catenina, lo cual dio lugar a su destrucción por el proteosoma, evitando su unión al promotor del gen mdr1 y por tanto reduciendo su expresión. En conclusión las estrategias propuestas en este trabajo incrementaron la citotoxicidad de las células tumorales al aumentar la permeabilidad no solo de la barrera hematoencefálica, sino también de la propia barrera tumoral. Igualmente, la estrategia del “Caballo de Troya” podría ser útil para la terapia de otras enfermedades asociadas al sistema nervioso central. Por otra parte estos estudios indican que el reconocimiento de mecanismos asociados a la expresión de los transportadores ABC podría constituir una herramienta clave en el desarrollo de nuevas terapias anticáncer.

Genome analysis of DNA repair genes in the alpha proteobacterium Caulobacter crescentus

Abstract Background The integrity of DNA molecules is fundamental for maintaining life. The DNA repair proteins protect organisms against genetic damage, by removal of DNA lesions or helping to tolerate them. DNA repair genes are best known from the gamma-proteobacterium Escherichia coli, which is the most understood bacterial model. However, genome sequencing raises questions regarding uniformity and ubiquity of these DNA repair genes and pathways, reinforcing the need for identifying genes and proteins, which may respond to DNA damage in other bacteria. Results In this study, we employed a bioinformatic approach, to analyse and describe the open reading frames potentially related to DNA repair from the genome of the alpha-proteobacterium Caulobacter crescentus. This was performed by comparison with known DNA repair related genes found in public databases. As expected, although C. crescentus and E. coli bacteria belong to separate phylogenetic groups, many of their DNA repair genes are very similar. However, some important DNA repair genes are absent in the C. crescentus genome and other interesting functionally related gene duplications are present, which do not occur in E. coli. These include DNA ligases, exonuclease III (xthA), endonuclease III (nth), O6-methylguanine-DNA methyltransferase (ada gene), photolyase-like genes, and uracil-DNA-glycosylases. On the other hand, the genes imuA and imuB, which are involved in DNA damage induced mutagenesis, have recently been described in C. crescentus, but are absent in E. coli. Particularly interesting are the potential atypical phylogeny of one of the photolyase genes in alpha-proteobacteria, indicating an origin by horizontal transfer, and the duplication of the Ada orthologs, which have diverse structural configurations, including one that is still unique for C. crescentus. Conclusion The absence and the presence of certain genes are discussed and predictions are made considering the particular aspects of the C. crescentus among other known DNA repair pathways. The observed differences enlarge what is known for DNA repair in the Bacterial world, and provide a useful framework for further experimental studies in this organism.

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entstehung von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien sowie den zytotoxischen Auswirkungen, die DNA-Doppelstrangbrüche für die Säuger-Zelle haben. Im ersten Teil der Arbeit wurden die molekularen Mechanismen untersucht, die am O6-Methylguanin (O6-MeG)-DNA-Schaden, hervorgerufen durch alkylierende Agenzien, ablaufen. Dabei konnte gezeigt werden, das O6-Methylguanin DNA-Methyltransferase (MGMT) O6-MeG/C und O6-MeG/T in vitro mit gleicher Effizienz repariert und daß die Reparatur von O6-MeG nach dem ersten Zellzyklus protektive Auswirkung auf das zelluläre Überleben hat. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit stand die Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien in Mausfibroblasten und CHO-Zellen im Mittelpunkt. Mit Hilfe der Einzelzellgelelektrophorese (SCGE, Comet Assay) wurde gezeigt, daß alkylierende Substanzen und die durch Elektroporation in Zellen hineingebrachten Restriktionsenzyme PvuII und EcoRI DNA-Doppelstrangbrüche zu induzieren vermögen. Die Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen nach Elektroporation von PvuII war vom p53-Status der Zellen abhängig, da p53-defiziente Zellen im Gegensatz zu p53-profizienten Zellen höhere DNA-Doppelstrangbruchraten über einen längeren Zeitraum aufwiesen. Im dritten Teil wurden die physiologischen Auswirkungen einer Behandlung von Zellen mit Induktoren von DNA-Doppelstrangbrüchen untersucht. Es wurde gezeigt, daß Alkylanzien in Abhängigkeit vom Vorhandensein von MGMT Apoptose induzieren. Mit PvuII elektroporierte p53-knockout Mausfibroblasten zeigten infolgedessen und im Gegensatz zu p53-wildtyp Zellen hohe Apoptoseraten. Die Induktion der Apoptose nach Behandlung mit PvuII wie auch nach g-Bestrahlung ging einher mit einem Abfall der Proteinmenge des antiapoptotischen Bcl-2. Zusammengenommen weisen die Versuchsergebnisse dieser Arbeit darauf hin, daß nach Behandlung von Zellen mit O6-MeG-generierenden Agenzien wie auch nach g-Bestrahlung DNA-Doppelstrangbrüche das ultimative Signal darstellen können.

Synthese, Radioiodierung und Evaluierung von neuen MGMT-Inhibitoren und ihren Glucose-Konjugaten

Eine häufige Art der Chemotherapie ist die Behandlung von Tumoren mit alkylierenden oder chloralkylierenden Zytostatika, die eine Alkylierung von Guanin in der DNA verursachen. Daraus resultieren eine Blockierung der DNA-Synthese und ein Rückgang im Tumorwachstum. Das Enzym O6-Methylguanin-DNA-methyltransferase (MGMT) ist in der Lage, solche Schäden zu reparieren. Da MGMT auch in verschiedenen Tumorarten exprimiert wird, eine Tatsache, die therapeutische Effekte verringern könnte, wird zur Zeit die Gabe von Inhibitoren der MGMT, wie O6-Benzylguanin, vor der eigentlichen Chemotherapie untersucht. Um möglicher Weise die Selektivität dieser Verbindungen für Tumor- vs. gesundem Gewebe und auch die in vivo-Eigenschaften zu verbessern, wurden glycosylierte Inhibitoren vorgeschlagen. Für eine Entwicklung neuer MGMT-Inhibitoren wäre es hilfreich, die in vivo Bioverteilung in Tier und Mensch durch eine Markierung mit geeigneten Isotopen verfolgen zu können. Im Moment existiert keine Möglichkeit, den MGMT-Status eines Tumors nicht-invasiv zu visualisieren. Diese Information kann sehr wichtig für die Planung einer Chemotherapie mit alkylierenden oder chloralkylierenden Zytostatika sein. Mit Methoden wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder der Einzel-Photonen-Emissions-Tomographie (SPECT) ist eine nicht-invasive Quantifizierung von biochemischen Prozessen prinzipiell möglich. Hierfür wurden verschiedenen MGMT-Inhibitoren bereits mit Isotopen wie Fluor-18, Kohlenstoff-11 un Iod-131 markiert, aber sie waren aus unterschiedlichen Gründen nicht geeignet. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von neuen O6-derivatisierten Guaninen, die über einen C8-Spacer an der N9-Position des Guanins mit einer Glucose-Einheit konjugiert werden sollten, geeigneten Markierungsvorläufern und Radioiodierungs-Methoden. Durch Wahl eines geeigneten Radioiodisotops für die Markierung des Restes an der O6-Position des Guanins kann die ex vivo-Bioverteilung dieser Verbindungen in tumortragenden Nacktmäusen (Iod-131) und die Untersuchung der in vivo-Verteilung (Iod-123) durchgeführt werden. Daher wurden O6-(5-Iodothenyl)- (ITG) und O6-(3-Iodbenzyl)guanin-Derivate (IBG) sowie ihre Glucose-Konjugate ITGG und IBGG synthetisiert. Von diesen inaktiven Standard-Verbindungen wurden die IC50-Werte zur MGMT bestimmt. Da sie alle im nM-Bereich lagen, schienen die Verbindungen für weitere Untersuchungen geeignet zu sein. Die Radiomarkierung der Inhibitoren mit Iod-131 bzw. Iod-123 wurde durch Umsetzung der Trialkyl-stannylierten Markierungsvorläufer mit der Chloramin T-Methode in mittleren (Iod-123) bis hohen (Iod-131) radiochemischen Ausbeuten und mit hohen radiochemischen Reinheiten durchgeführt. Mit den 131I-iodierten Verbindungen wurde die spezifische Bindung zur MGMT nachgewiesen, eine Eigenschaft, die essentiell für eine weitere Verwendung dieser Derivate ist. Sie wurden auch zur Bestimmung der ex vivo-Tumor- und Organverteilung in tumortragenden Nacktmäusen (MEX(+), MEX(-), Glioblastom) verwendet. In allen Fällen war die Tumoraufnahme der nicht-konjugierten Guanin-Derivate höher als die der entsprechenden Glucose-Konjugate. Das Tumor-Blut-Verhältnis, das sehr wichtig für einen potentiellen Einsatz der Verbindungen als Tracer des MGMT-Status eines Tumors ist, variierte abhängig von der Kinetik. Zu allen Zeitpunkten war die in vivo-Deiodierung der Glucose-Konjugate deutlich geringer als die von ITG oder IBG. Unter Verwendung von [131I]IBG und [131I]IBGG wurde die Biodistribution nach Inhibition der Natrium-abhängigen Glucose-Transporter, die zumindests teilweise für die Aufnahme der MGMT-Inhibitoren in Zellen verantwortlich sind, durch Phloretin untersucht. Einen Unterschied in der Tumoraufnahme zwischen den mit Phloretin behandelten und den unbehandelten Mäusen konnte nicht beobachtet werden, wahrscheinlich weil die Akkumulation im Tumor generell niedrig war. Mit den 123I-iodierten Verbindungen [123I]IBG und [123I]IBGG wurden in vivo-Scans an tumortragenden Nacktmäusen (MEX(+), MEX(-)) mit einer Kleintier-SPECT-Kamera durchgeführt. In beiden Fällen wurde eine geringe Akkumulation in den Tumoren im Vergleich zu anderen Organen beobachtet, was die ex vivo-Biodistributionsdaten bestätigte.

Alkylantien induzierte Zytotoxizität, DNA-schadensinduzierte Reparaturkapazität und Apoptoseinduktion von Immunzellen

Monozyten und Monozyten-abgeleitete Dendritische Zellen (DCs) spielen eine bedeutende Rolle im Immunsystem. Da DCs bei der Tumorabwehr mitwirken, ist es wichtig, dass Monozyten als auch DCs sich gegenüber zytotoxischen Agenzien aus der Chemotherapie wehren können. Chemotherapeutika reagieren mit der DNA, jedoch die DNA-Reparaturkapazität von Monozyten und DCs wurde noch nicht untersucht. Dazu wurde die Sensitivität in Monozyten und DCs gegenüber verschiedene genotoxische Agenzien untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass Monozyten sensitiv auf methylierende Agenzien (MNNG, MMS und Temozolomid) reagieren und ein verstärktes Zellsterben und Apoptoseinduktion zeigen. Im Vergleich zu weiteren Zytostatika wie Fotemustin, Mafosfamid und Cisplatin reagierten Monozyten und DCs gleich sensitiv. Diese Ergebnisse weisen auf einen Defekt in der Reparatur von DNA-Methylierungsschäden in Monozyten hin. Da die Expression des Reparaturproteins O6-Methylguanin-DNA Methyltransferase (MGMT) in Monozyten höher war als in DCs und deren Inhibierung durch O6-Benzylguanin keinen Effekt auf die Sensitivität von Monozyten hatte, wurde der Reparaturweg der Basenexzisionsreparatur untersucht. Im Vergleich zu DCs waren die Monozyten unfähig die BER durchzuführen, welche durch Einzelzellgelelektrophorese gemessen wurde. Expressionsuntersuchungen ergaben, dass in Monozyten XRCC1 und Ligase IIIα fehlen im Vergleich zu DCs, Makrophagen, hämatopoetische Stammzellen und Lymphozyten, welche diese Proteine exprimieren. Diese Ergebnisse zeigen einen spezifischen DNA-Reparaturdefekt in einer bestimmten Blutzellpopulation. Durch den BER Defekt in Monozyten kann es durch methylierende Tumorwirkstoffe während einer Chemotherapie zur Depletion und zu einer abgeschwächten Immunantwort kommen.

Untersuchungen zum Mechanismus der Zytotoxizität von alkylierenden Agenzien in malignen Melanomzellen

Maligne Melanome sind gegenüber Chemotherapeutika relativ resistent. Das methylierende Alkylanz Temozolomid sowie das chlorethylierende und DNA-Interstrand Crosslink (ICL) bildende Alkylanz Fotemustin kommen bei der Behandlung des malignen Melanoms als Mittel erster Wahl zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit konnte das erste Mal nachgewiesen werden, dass die zytotoxische Wirkung von Temozolomid und Fotemustin in Melanomzellen durch Apoptose vermittelt wird. Unter Verwendung klinisch relevanter Dosen der beiden Alkylantien konnte die Induktion von Apoptose durch vier unabhängige Methoden (Bestimmung der SubG1-Fraktion und der Apoptose- / Nekrose-Frequenz, Aktivierung der Effektorcaspasen-3 und -7 sowie Spaltung von PARP-1) nachgewiesen werden. Die Alkylierungen an der O6-Position des Guanins, welche durch beide Agenzien induziert werden, sind auch in Melanomzellen die wichtigsten Zytotoxizität-bewirkenden Läsionen in der DNA, und die O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) ist folglich ein herausragender Resistenzmarker. Eine der verwendeten Zelllinien (D05) exprimierte p53-Wildtypprotein. Diese Zelllinie war resistenter als alle anderen Zelllinien gegenüber Temozolomid und Fotemustin. Dies weist darauf hin, dass p53 nicht die Apoptoseinduktion in Melanomzellen verstärkt. Die Prozessierung des O6MeG erfolgt über die Mismatch-Reparatur (MMR) unter Generierung von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSBs). Die Untersuchung der durch Temozolomid induzierten DSBs, nachgewiesen durch gammaH2AX-Induktion, korrelierte direkt mit der apoptotischen Antwort von Melanomzelllinien und DSBs können somit als eine entscheidende apoptoseauslösende Größe angesehen werden. Eine Resistenz gegenüber dem methylierenden Temozolomid in der Zelllinie MZ7 konnte auf einen Defekt in der MMR-Schadenserkennung auf der Ebene des MutSalpha-Komplexes zurückgeführt werden. Dieser Defekt hatte keinen Einfluss auf die Fotemustin-vermittelte Apoptoseinduktion. Neben MGMT konnte somit die MMR als Resistenzfaktor gegenüber methylierenden Agenzien in Melanomen identifiziert werden. Die Fotemustin-induzierte Apoptose wurde in Melanomzelllinien im Detail untersucht. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass Fotemustin-bedingte ICLs in Zellen einen G2/M-Arrest im Behandlungszyklus induzieren. Wie anhand G1-arretierter Zellen nachgewiesen werden konnte, war das Durchlaufen der DNA-Replikation vor Erreichen des Arrests für die Induktion der Apoptose notwendig. Die Prozessierung von ICLs ist im Vergleich zu Methylierungen der DNA deutlich komplexer. Dies könnte erklären, warum in Melanomzellen die durch gammaH2AX-Induktion repräsentierten DSBs nicht mit der Sensitivität der einzelnen Zelllinien korreliert. Die Untersuchung unterschiedlich sensitiver Zelllinien zeigte ein vergleichbares Schadensniveau an ICLs und eine ebenso vergleichbare initiale Prozessierung derselben unter Generierung von DSBs. Die Prozessierung dieser sekundären Läsionen, welche anhand der Abnahme von gammaH2AX-Foci untersucht wurde, war hingegen in der sensitiveren Melanomzelllinie deutlich weniger effektiv. Es konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass eine uneffektive Prozessierung der sekundären Läsionen einhergeht mit einer verstärkten und länger anhaltenden Aktivierung der in der DSB-Detektion beteiligten Kinase ATM und der Checkpoint Kinase 1. Es wäre daher denkbar, dass eine verstärkte Aktivität dieser Kinasen proapoptotische Signale vermittelt. Unterschiede in der Prozessierung der sekundären Läsionen könnten somit ein wichtiger Marker der ICL-induzierten Apoptose darstellen. Des weitern konnte nachgewiesen werden, dass nach Fotemustingabe die mitochondrial-vermittelte Apoptose einen effektiven Exekutionsweg in Melanomen darstellt. Während Cytochrom C-Freigabe, Bcl-2-Abnahme an den Mitochondrien, Bax-Rekrutierung und Caspase-9 Aktivität nachgewiesen werden konnten, wurden keine Hinweise auf eine Fas-Rezeptor-vermittelte Apoptose gefunden. Die Unfähigkeit, Rezeptor-vermittelte Apoptose zu unterlaufen, könnte die Bedeutungslosigkeit des p53-Gens in Melanomen begründen, da gerade dieser Weg in der Alkylantien-induzierten Apoptose in anderen Zellsystemen eine große Relevanz besitzt. Bei der Suche nach einem alternativen proapoptotischen Signalweg konnten Hinweise für die Beteiligung des Rb/E2F-1-Wegs, welcher über p73 agiert, in einer p53-mutierten Melanomzelllinie gefunden werden. Einen Einfluss der Proteine Survivin und XIAP als Resistenzfaktoren auf die Fotemustin-induzierte Apoptose wurde hingegen nicht nachgewiesen.