1H HR-MAS NMR Based Metabolic Profiling of Cells in Response to Treatment with a Hexacationic Ruthenium Metallaprism as Potential Anticancer Drug.

1H high resolution magic angle spinning (HR-MAS) NMR spectroscopy was applied in combination with multivariate statistical analyses to study the metabolic response of whole cells to the treatment with a hexacationic ruthenium metallaprism [1]6+ as potential anticancer drug. Human ovarian cancer cells (A2780), the corresponding cisplatin resistant cells (A2780cisR), and human embryonic kidney cells (HEK-293) were each incubated for 24 h and 72 h with [1]6+ and compared to untreated cells. Different responses were obtained depending on the cell type and incubation time. Most pronounced changes were found for lipids, choline containing compounds, glutamate and glutathione, nucleotide sugars, lactate, and some amino acids. Possible contributions of these metabolites to physiologic processes are discussed. The time-dependent metabolic response patterns suggest that A2780 cells on one hand and HEK-293 cells and A2780cisR cells on the other hand may follow different cell death pathways and exist in different temporal stages thereof.

Synthesis of triplex-forming oligonucleotide conjugates of the anticancer drug temodal

Covalent attachment of the anticancer drugs temozolomide (Temodal) and mitozolomide to triplex-forming oligonucleotides (TFOs) is a potential way of targeting these alkylating agents to specific gene sequences to maximise site-selectivity. In this work, polypyrimidine TFO conjugates of both drugs were synthesised and targeted to duplex DNA in an attempt to effect site-specific alkylation of guanine residues. Concurrently, in an attempt to enhance the triple helix stability of TFOs at neutral pH, the thermal stabilities of triplexes formed from TFOs containing isoguanine, 2-O-benzyl- and 2-O-allyl-adenine were evaluated. A novel cleavage and deprotection procedure was developed which allowed for the solid phase synthesis of the base-sensitive TFO-drug conjugates using a recently developed silyl-linked controlled pore glass (SLCPG) support. Covalent attachment of either temozolomide or mitozolomide at the 5'-end of TFO conjugates caused no destabilisation of the triplexes studied. The synthesis of a phosphoramidite derivative of mitozolomide enabled direct incorporation of this reagent into a model sequence during DNA synthesis. After cleavage and deprotection of the TFO-drug conjugate, the 5'-end mitozolomide residue was found to have decomposed presumably as a result of ring-opening of the tetrazinone ring. The base-sensitive antibacterial and antitumour agent, metronidazole, was also successfully incorporated at the 5'-end of the oligonucleotide d(T8) using conventional methods. Two C2-substituted derivatives of 2'-deoxyadenosine containing 2-O-benzyl and 2-O-allyl groups were synthesised. Hydrogenolysis of the 2-O-benzyl analogue provided a useful route, amenable to scale-up, for the synthesis of the rare nucleoside 2'-deoxyisoguanosine (isoG). Both the 2-O-allyl and 2-O-benzyl derivatives were incorporated into TFO sequences using phosphoramidite methodology. Thermal melting experiments showed that the 2-O-allyl and 2-O-benzyl groups caused marked destabilisation of the triple helices studied, in contrast to hexose-DNA duplexes, where aralkyl substituents caused significant stabilisation of duplexes. TFOs containing isoG were synthesised by Pd(O)-catalysed deallylation of 2-0-allyl adenine residues. These sequences containing isoG, in its N3- or 02-H tautomeric form, formed triple helices which were equally as stable as those containing adenine.

Synthesis, characterization, and preliminary application of new biocompatible nanogels useful as anticancer drug delivery systems

253 p.

The human organic cation transporter OCT1 mediates high affinity uptake of the anticancer drug daunorubicin

Les anthracyclines tels que la doxorubicin et la daunorubicin sont une famille de médicaments anticancéreux hydrophiles qui doivent être transportés dans les cellules afin d’exercer leur action par intercalation à l’ADN dans le noyau cellulaire. Ceci mène à la perturbation du métabolisme de l’ADN et entraine la mort cellulaire. Les anthracyclines sont utilisés pour le traitement d’une variété de cancers incluant la leucémie, les lymphomes, le cancer du sein, le cancer des poumons et le cancer des ovaires. Étant donné que le transport actif des anthracyclines dans les cellules a partiellement été démontré, le transporteur spécifique impliqué dans ce processus n’est pas encore connu. En utilisant un modèle de cancer des ovaires, la lignée cellulaire TOV2223G, nous avons démontré que des substrats spécifiques au transporteur de cations organiques 1 (OCT1), notamment la ergothionéine, la thiamine et la phenformin, ont partiellement inhibé l’absorption de la daunorubicin en différence de la carnitine qui est un substrat de haute affinité des transporteurs CT2 et OCTN2. Ces résultats suggèrent que les transporteurs organiques spécifiques au transport de la carnitine ne sont pas impliqués dans le transport des anthracyclines. Ainsi, nos résultats ont démontré que l’absorption de la daunorubicin est orchestrée par le transporteur OCT1 dans les cellules TOV2223G (Km ~ 5 μM) et des concentrations micromolaires de choline ont complètement abolies l’absorption de la drogue. De plus, un ARN sh dirigé contre OCT1 a réprimé son expression protéique, ce qui a été confirmé par la technique d’immuno-buvardage en utilisant un anti-OCT1 anticorps. Les cellules déficientes en OCT1 n’ont pas été capables d’absorber la daunorubicin et ont été plus résistantes à l’action de la drogue par rapport aux cellules contrôle. La transfection des cellules HEK293T avec un plasmide construit de façon à faire exprimer OCT1 comme protéine de fusion avec la protéine fluorescente EYFP a montré que celle-ci est localisée dans la membrane plasmique. Les cellules transfectées ont été capables d’absorber cinq fois plus de daunorubicin comparé aux cellules contrôles. Cette étude est, selon nous, la première à démontrer que OCT1 est un transporteur de haute affinité des anthracyclines. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que des défauts de OCT1 peuvent contribuer à l’efficacité de la réponse des cellules cancéreuses à la chimiothérapie avec les anthracyclines.

The human organic cation transporter OCT1 mediates high affinity uptake of the anticancer drug daunorubicin

Les anthracyclines tels que la doxorubicin et la daunorubicin sont une famille de médicaments anticancéreux hydrophiles qui doivent être transportés dans les cellules afin d’exercer leur action par intercalation à l’ADN dans le noyau cellulaire. Ceci mène à la perturbation du métabolisme de l’ADN et entraine la mort cellulaire. Les anthracyclines sont utilisés pour le traitement d’une variété de cancers incluant la leucémie, les lymphomes, le cancer du sein, le cancer des poumons et le cancer des ovaires. Étant donné que le transport actif des anthracyclines dans les cellules a partiellement été démontré, le transporteur spécifique impliqué dans ce processus n’est pas encore connu. En utilisant un modèle de cancer des ovaires, la lignée cellulaire TOV2223G, nous avons démontré que des substrats spécifiques au transporteur de cations organiques 1 (OCT1), notamment la ergothionéine, la thiamine et la phenformin, ont partiellement inhibé l’absorption de la daunorubicin en différence de la carnitine qui est un substrat de haute affinité des transporteurs CT2 et OCTN2. Ces résultats suggèrent que les transporteurs organiques spécifiques au transport de la carnitine ne sont pas impliqués dans le transport des anthracyclines. Ainsi, nos résultats ont démontré que l’absorption de la daunorubicin est orchestrée par le transporteur OCT1 dans les cellules TOV2223G (Km ~ 5 μM) et des concentrations micromolaires de choline ont complètement abolies l’absorption de la drogue. De plus, un ARN sh dirigé contre OCT1 a réprimé son expression protéique, ce qui a été confirmé par la technique d’immuno-buvardage en utilisant un anti-OCT1 anticorps. Les cellules déficientes en OCT1 n’ont pas été capables d’absorber la daunorubicin et ont été plus résistantes à l’action de la drogue par rapport aux cellules contrôle. La transfection des cellules HEK293T avec un plasmide construit de façon à faire exprimer OCT1 comme protéine de fusion avec la protéine fluorescente EYFP a montré que celle-ci est localisée dans la membrane plasmique. Les cellules transfectées ont été capables d’absorber cinq fois plus de daunorubicin comparé aux cellules contrôles. Cette étude est, selon nous, la première à démontrer que OCT1 est un transporteur de haute affinité des anthracyclines. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que des défauts de OCT1 peuvent contribuer à l’efficacité de la réponse des cellules cancéreuses à la chimiothérapie avec les anthracyclines.

Anticancer drug discovery using artificial intelligence: an application in pharmacological activity prediction

Hematological cancers are a heterogeneous family of diseases that can be divided into leukemias, lymphomas, and myelomas, often called “liquid tumors”. Since they cannot be surgically removable, chemotherapy represents the mainstay of their treatment. However, it still faces several challenges like drug resistance and low response rate, and the need for new anticancer agents is compelling. The drug discovery process is long-term, costly, and prone to high failure rates. With the rapid expansion of biological and chemical "big data", some computational techniques such as machine learning tools have been increasingly employed to speed up and economize the whole process. Machine learning algorithms can create complex models with the aim to determine the biological activity of compounds against several targets, based on their chemical properties. These models are defined as multi-target Quantitative Structure-Activity Relationship (mt-QSAR) and can be used to virtually screen small and large chemical libraries for the identification of new molecules with anticancer activity. The aim of my Ph.D. project was to employ machine learning techniques to build an mt-QSAR classification model for the prediction of cytotoxic drugs simultaneously active against 43 hematological cancer cell lines. For this purpose, first, I constructed a large and diversified dataset of molecules extracted from the ChEMBL database. Then, I compared the performance of different ML classification algorithms, until Random Forest was identified as the one returning the best predictions. Finally, I used different approaches to maximize the performance of the model, which achieved an accuracy of 88% by correctly classifying 93% of inactive molecules and 72% of active molecules in a validation set. This model was further applied to the virtual screening of a small dataset of molecules tested in our laboratory, where it showed 100% accuracy in correctly classifying all molecules. This result is confirmed by our previous in vitro experiments.

Computer-aided drug design and ADMET predictions for identification and evaluation of novel potential farnesyltransferase inhibitors in cancer therapy

We have used various computational methodologies including molecular dynamics, density functional theory, virtual screening, ADMET predictions and molecular interaction field studies to design and analyze four novel potential inhibitors of farnesyltransferase (FTase). Evaluation of two proposals regarding their drug potential as well as lead compounds have indicated them as novel promising FTase inhibitors, with theoretically interesting pharmacotherapeutic profiles, when Compared to the very active and most cited FTase inhibitors that have activity data reported, which are launched drugs or compounds in clinical tests. One of our two proposals appears to be a more promising drug candidate and FTase inhibitor, but both derivative molecules indicate potentially very good pharmacotherapeutic profiles in comparison with Tipifarnib and Lonafarnib, two reference pharmaceuticals. Two other proposals have been selected with virtual screening approaches and investigated by LIS, which suggest novel and alternatives scaffolds to design future potential FTase inhibitors. Such compounds can be explored as promising molecules to initiate a research protocol in order to discover novel anticancer drug candidates targeting farnesyltransferase, in the fight against cancer. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Oral epidermal growth factor receptor tyrosine kinase inhibitors for the treatment of non-small cell lung cancer: comparative pharmacokinetics and drug-drug interactions.

The development of orally active small molecule inhibitors of the epidermal growth factor receptor (EGFR) has led to new treatment options for non-small cell lung cancer (NSCLC). Patients with activating mutations of the EGFR gene show sensitivity to, and clinical benefit from, treatment with EGFR tyrosine kinase inhibitors (EGFR-TKls). First generation reversible ATP-competitive EGFR-TKls, gefitinib and erlotinib, are effective as first, second-line or maintenance therapy. Despite initial benefit, most patients develop resistance within a year, 50-60% of cases being related to the appearance of a T790M gatekeeper mutation. Newer, irreversible EGFR-TKls - afatinib and dacomitinib - covalently bind to and inhibit multiple receptors in the ErbB family (EGFR, HER2 and HER4). These agents have been mainly evaluated for first-line treatment but also in the setting of acquired resistance to first-generation EGFR-TKls. Afatinib is the first ErbB family blocker approved for patients with NSCLC with activating EGFR mutations; dacomitinib is in late stage clinical development. Mutant-selective EGFR inhibitors (AZD9291, CO-1686, HM61713) that specifically target the T790M resistance mutation are in early development. The EGFR-TKIs differ in their spectrum of target kinases, reversibility of binding to EGFR receptor, pharmacokinetics and potential for drug-drug interactions, as discussed in this review. For the clinician, these differences are relevant in the setting of polymedicated patients with NSCLC, as well as from the perspective of innovative anticancer drug combination strategies.

Loco-regional administration of anticancer agents : isolated lung perfusion with doxorubicin hypoxic abdominal stop-flow perfusion with gemcitabine

SUMMARY Regional drug delivery is an approach designed to improve the selectivity of anticancer chemotherapy. The advantage of regional treatments lies in increasing the drug concentration in the affected organ, while the rest of the organism is spared, thus improving efficacy and limiting treatment toxicity. The goal of this thesis was to assess the distribution throughout the body and the disposition (pharmacokinetics) of two anticancer agents, doxorubicin and gemcitabine, administered by two different regional administration modalities: isolated lung perfusion (ILP) for pulmonary metastases from soft tissue sarcomas and abdominal stop-flow hypoxic perfusion for advanced pancreatic cancers, respectively. For this purpose, two high-performance liquid chromatography methods were developed and validated. The first enabled the determination of doxorubicin in four different biological matrices: serum, reconstituted effluent, tissues with low levels of doxorubicin and tissues with high levels of doxorubicin. The second allows the analysis of gemcitabine and its principal metabolite dFdU in plasma. The administration of doxorubicin by ILP was studied in three preclinical studies (one on pigs and two on rats). It was first shown that, regardless of the administration mode, doxorubicin was not homogeneously distributed throughout the lung and that some regions remained out of reach. Secondly, it was demonstrated that doxorubicin did not adequately reach the tumours despite very high levels found in the lung. Finally, an attempt to enhance the doxorubicin tumoural uptake by pharmacologic modulation using two P-glycoprotein inhibitors, cyclosporin and valspodar, was unsuccessful. The last part of this work involves the administration of gemcitabine by abdominal stop-flow as a part of a phase I clinical trial in patients with advanced pancreatic disease or resistant malignant ascites. The study has demonstrated that the regional exposure to gemcitabine was increased while the exposure of the entire organism was similar to standard intravenous administrations. From a toxicological perspective, the procedure was rather well tolerated. However, even if no clinical response is expected from a phase I study, no hints of clinical responses were unfortunately observed. In conclusion, even if loco-regional therapies may afford the pharmacological advantage of increasing anticancer drug levels at the tumour site, further studies of these investigational treatment modalities are warranted to ascertain whether they can provide a significant improvement of the cancer therapy for patients, in terms of treatment tolerability, improved responses and survival rates. RÉSUMÉ L'administration locorégionale d'agents anticancéreux est une approche destinée à augmenter la sélectivité du traitement. L'avantage des traitements régionaux repose sur le fait que la concentration du médicament cytostatique est augmentée dans l'organe où est localisée la tumeur, alors que le reste de l'organisme est épargné, améliorant ainsi en théorie l'efficacité du traitement et en limitant sa toxicité. Le but de ce travail de thèse avait pour objectif de préciser, la pharmacocinétique au sein de l'organisme de deux agents anticancéreux, la doxorubicine et la gemcitabine, administrés par deux types de perfusions loco-régionales: la perfusion isolée du poumon (ILP) pour les métastases pulmonaires de sarcomes des tissus mous, et la perfusion hypoxique (stop-flow) abdominale pour les cancers avancés du pancréas. Dans cette optique, deux méthodes de chromatographie liquide à haute performance ont été développées et validées. La première permet le dosage de la doxorubicine dans quatre milieux biologiques: le sérum, l'effluent reconstitué, ainsi que des tissus contenant des concentrations faibles et élevées en doxorubicine. La seconde méthode permet le dosage dans le plasma de la gemcitabine et de son principal métabolite, le dFdU. L'administration de doxorubicine par ILP a été étudiée dans trois études précliniques (une chez le porc et deux chez le rat). Il a été montré, dans un premier temps, que la doxorubicine n'était pas distribuée de façon homogène au sein du poumon, quel que soit son mode d'administration. Dans un deuxième temps, il a été démontré que le médicament n'atteignait pas les tumeurs de façon adéquate, malgré des concentrations très élevées au sein du tissu pulmonaire. Finalement, une tentative d'augmenter la pénétration tumorale de la doxorubicine par une modulation pharmacologique de la P-glycoprotéine en utilisant la cyclosporine et le valspodar n'a pas abouti. La dernière partie de ce travail concernait l'administration de gemcitabine par stop-flow abdominal dans le cadre d'une étude clinique de phase I menée auprès de patients atteints de cancers avancés du pancréas ou d'ascites malignes réfractaires. Cette étude a démontré que l'exposition régionale à la gemcitabine était augmentée, alors que l'exposition de l'organisme était similaire à une administration de dose standard par voie intraveineuse. D'un point de vue toxicologique la procédure fut relativement bien tolérée. Cependant, même s'il n'est pas attendu de réponses cliniques dans une étude de phase I, aucun signe de réponse au traitement n'a pu être malheureusement observé. En conclusion, même si les thérapies loco-régionales présentent -en théorie- l'avantage pharmacologique d'augmenter les taux du médicaments anticancéreux sur le site de la tumeur, d'autres études précliniques et cliniques sont nécessaires pour démontrer que ces nouvelles modalités de traitement, de nature investigationelle à présent, apportent une réelle amélioration pour la prise en charge des patients cancéreux, en terme de tolérance au traitement et de l'augmentation des taux de réponses et de survie.

Ecotoxicological approaches to assess the long-term effects of four anticancer drugs and metabolites on Daphnia pulex

The aquatic environment is exposed continuously and increasingly to chemical substances such as pharmaceuticals. These medical compounds are released into the environment after having being consumed and body-excreted by patients. Pharmaceutical residues are synthetic molecules that are not always removed by traditional sewage treatment processes and thus escape degradation. Among pharmaceuticals that escape sewage treatment plants (STPs), the anticancer drugs were measured in STP effluents and natural waters. In the aquatic environment, their long-term effects at low concentrations are sparsely known on non-target species. Tamoxifen is an anticancer drug that is widely prescribed worldwide for the prevention and treatment of hormone receptor-positive breast cancers. Two of its metabolites, i.e., endoxifen and 4-hydroxy- tamoxifen (4OHTam), have high pharmacological potency in vivo and such as tamoxifen, they are excreted via faeces by patients. Tamoxifen was measured in STP effluents and natural waters but, to the best of our knowledge, its metabolites concentrations in waters have never been reported. Imatinib is another and recent anticancer compound that targets specific tumour cells. This pharmaceutical is also body excreted and because of its increasing use in cancer treatment, imatinib may reach the natural water. The effects of tamoxifen and imatinib are unknown upon more than one generation of aquatic species. And the effects of 4OHTam, endoxifen have never been studied in ecotoxicology so far. The aims of this thesis were threefold. First, the sensitivity of D. pulex exposed to tamoxifen, 4OHTam, endoxifen or imatinib was assessed using ecotoxicological experiments. Ecotoxicology is the science that considers the toxic effects of natural or synthetic substances, such as pharmaceuticals, on organisms, populations, community and ecosystem. Acute and multigenerational (2-4 generations) tests were performed on daphnids considering several studied endpoints, such as immobilisation, size, reproduction, viability and intrinsic rate of natural increase. Additional prospective assays were designed to evaluate whether 1) low concentrations of tamoxifen and 4OHTam were able to induce toxic effects when used in combination, and 2) daphnids were able to recover when offspring were withdrawn from solutions carrying the pharmaceutical. Second, the stability of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen in incubation medium was evaluated in solution exempted from daphnids. Because the nominal concentrations of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen did not correspond to the measured, we provide a predictive method to estimate the concentrations of these chemicals during long-term ecotoxicological tests. Finally, changes in protein expressions were analysed in D. pulex exposed 2 or 7 seven days to tamoxifen using ecotoxicoproteomic experiments with a shot-gun approach inducing a peptide fractionation step. Our results show that tamoxifen, 4OHTam and endoxifen induced adverse effects in D. pulex at environmentally relevant concentrations. At very low concentrations, these molecules displayed unusual and teratogenic effects because morphological abnormalities were observed in offspring, such as thick and short antennas, curved spines, premature neonates and aborted eggs. Tamoxifen was the most toxic compound among the test chemicals, followed by 4OHTam, endoxifen and imatinib. Tamoxifen no-observed effect concentrations (NOECs) that were calculated for size, reproduction and intrinsic rate were below or in the range of the concentrations measured in natural waters, i.e., between 0.12 µg/L and 0.67 µg/L. For instance, the tamoxifen NOECs that were calculated for reproduction were between 0.67 and 0.72 µg/L, whereas the NOEC was < 0.15 µg/L when based on morphological abnormalities. The NOECs of 4OHTam were higher but still in the same order of magnitude as tamoxifen environmental concentrations, with a value of 1.48 µg/L. Endoxifen NOEC for the intrinsic rate of natural increase (r) and the reproduction were 0.4 and 4.3 µg/L, respectively. Daphnids that were withdrawn from tamoxifen and 4OHTam were not able to recover. Also, the reproduction of D. pulex was reduced when the treated animals were exposed to the combination of tamoxifen and 4OHTam while no effects were observed when these chemicals were tested individually at the same concentration. Among the anticancer drugs that were tested during this thesis, imatinib was the less toxic molecule towards D. pulex. No effects on size and reproduction were observed within two generations, except for the first whose reproduction decreased at the highest test concentration, i.e., 626 µg/L. Our results also underline the need to use measured or predicted concentrations instead of the nominal during aquatic experiments, particularly when lipophilic molecules are tested. Indeed, notable differences between nominal (i.e., theoretical) and measured concentrations were found with tamoxifen, 4OHTam and endoxifen at all test concentrations. A cost and time sustainable method was proposed to predict the test exposure levels of these chemicals during long-term experiments. This predictive method was efficient particularly for low concentrations, which corresponded to the test concentrations in multigenerational tests. In the ecotoxicoproteomic experiments a total of 3940 proteins were identified and quantified in D. pulex exposed to tamoxifen. These results are currently the largest dataset from D. pulex that is published and the results of proteomic analyses are available for the scientific community. Among these 3940 proteins, 189 were significantly different from controls. After protein annotation, we assumed that treated daphnids with tamoxifen had shifted cost-energy functions, such as reproduction, to maintain their basic metabolism necessary to survive. This metabolic cost hypothesis was supported by the presence of proteins involved in oxidative stress. Biomarkers for early detection of tamoxifen harmful effects on D. pulex were not discovered but the proteins of the vitellogenin-2 family (E9H8K5) and the ryanodine receptor (E9FTU9) are promising potential biomarkers because their expression was already modified after 2 days of treatment. In this thesis, the effects of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen on daphnids raise questions about the potential impact of tamoxifen and 4OHTam in other aquatic ecosystems, and therefore, about metabolites in ecotoxicology. Because the NOECs were environmentally relevant, these results suggest that tamoxifen and 4OHTam may be interesting pharmaceuticals to consider in risk assessment. Our findings also emphasize the importance of performing long-term experiments and of considering multi-endpoints instead of the standard reproductive endpoint. Finally, we open the discussion about the importance to measure test exposures or not, during ecotoxicological studies. -- Les milieux aquatiques sont exposés continuellement à un nombre croissant de substances chimiques, notamment les médicaments issus de la médecine vétérinaire et humaine. Chez les patients, les substances administrées sont utilisées par le corps avant d'être éliminées par l'intermédiaire des excrétas dans le système d'eaux usées de la ville. Ces eaux rejoignent ensuite une station de traitement afin d'y éliminer les déchets. Dans le cas des molécules chimiques, il arrive que les processus de traitement d'eaux usées ne soient pas suffisamment efficaces et que ces molécules ne soient pas dégradées. Elles sont alors libérées dans le milieu aquatique avec les effluents de la station d'épuration. Une fois dans l'environnement, ces résidus de médicaments sont susceptibles d'induire des effets sur la faune et la flore aquatique, dont les conséquences à long terme et à faibles concentrations sont peu connues. Les anticancéreux sont une famille de médicaments qui peuvent échapper aux traitements des stations d'épuration et qui sont retrouvées dans le milieu aquatique naturel. Parmi ces substances, le tamoxifen est une molécule utilisée dans le monde entier pour prévenir et traiter les cancers hormonaux dépendant du sein, notamment. Une fois ingéré, le tamoxifen est transformé par le foie en métabolites dont deux d'entre eux, le 4-hydroxy-tamoxifen (4OHTam) et l'endoxifen, possèdent un affinité pour les récepteurs aux estrogènes et une efficacité sur les cellules tumorales supérieure au tamoxifen lui- même. Tout comme la molécule mère, ces métabolites sont principalement éliminés par l'intermédiaire des fèces. Le tamoxifen a déjà été mesuré dans les effluents de stations d'épuration et dans les eaux naturelles, mais aucune valeur n'a été reportée pour ses métabolites jusqu'à présent. Un autre anticancéreux, également éliminé par voie biliaire et susceptible d'atteindre l'environnement, est l'imatinib. Cette récente molécule a révolutionné le traitement et la survie des patients souffrant de leucémie myéloïde chronique et de tumeur stromales gastrointestinales. Les effets du tamoxifen et de l'imatinib sur plusieurs générations d'organismes aquatiques, tels que les microcrustacés Daphnia, sont inconnus et le 4OHTam et l'endoxifen n'ont même jamais été testés en écotoxicologie. Cette thèse s'est articulée autour de trois objectifs principaux. Premièrement, la sensibilité des D. pulex exposés au tamoxifen, 4OHTam, endoxifen et imatinib a été évaluée par l'intermédiaire de tests aigus et de tests sur deux à quatre générations. La mobilité, la taille, la reproduction, la viabilité et la croissance potentielle de la population ont été relevées au cours de ces expériences. Des tests supplémentaires, à but prospectifs, ont également été réalisés afin d'évaluer 1) la capacité de récupération des daphnies, lorsque leurs descendants ont été placés dans un milieu exempté de tamoxifen ou de 4OHTam, 2) les effets chez les daphnies exposées à une solution contenant de faibles concentration de tamoxifen et de 4OHTam mélangés. Le deuxième objectif a été d'évaluer la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dilué dans le milieu des daphnies. Après analyses, les concentrations mesurées ne correspondaient pas aux concentrations nominales (c.-à-d., théoriques) et il a été nécessaire de développer une méthode efficace de prédiction des niveaux d'exposition lors de tests de longue durée réalisés avec ces trois molécules. Finalement, des changements dans l'expression des protéines chez des daphnies exposées au tamoxifen ont été investigués par l'intermédiaire d'expériences écotoxicoprotéomiques avec une approche dite de shot-gun avec une étape de fractionnement des protéines. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que le tamoxifen, le 4OHTam et l'endoxifen induisent des effets indésirables chez les daphnies à des niveaux d'exposition proches ou identiques aux concentrations du tamoxifen mesurées dans l'environnement, c'est-à-dire 0.12 et 0.67 µg/L de tamoxifen. Ces molécules ont induit des effets inhabituels tels que la production de : nouveau-nés anormaux, avec des antennes et des queues déformées, des prématurés et des oeufs avortés. Le tamoxifen fut la molécule la plus toxique pour les D. pulex suivie du 4OHTam, de l'endoxifen et enfin de l'imatinib. Lors des expériences sur plusieurs générations, les concentrations n'ayant statistiquement pas d'effet (c.à.d. NOEC en anglais) sur la taille, la reproduction et la croissance intrinsèque de la population étaient du même ordre de grandeur que les concentrations environnementales du tamoxifen. Par exemple, les NOECs du tamoxifen calculées pour la reproduction étaient de 0.67 et 0.72 µg/L, tandis que celle calculée sur la base des anomalies chez les nouveau-nés était < 0.15 µg/L. Les NOECs du 4OHTam se situaient entre 0.16 et 1.48 µg/L et celles de l'endoxifen pour la croissance intrinsèque de la population, ainsi que pour la reproduction, étaient de 0.4 et 4.3 µg/L, respectivement. Dans l'expérience basée sur la récupération des daphnies, la taille et la reproduction ont diminué bien que la descendance fût placée dans un milieu sans substances chimiques. Les daphnies exposées au mélange de tamoxifen et de 4OHTam ont produit moins de nouveau-nés que les contrôles, alors que ces concentrations n'ont pas induit d'effets lorsque testées individuellement. Finalement, l'imatinib n'a pas montré d'effets sur les deux générations testées. Seule la première génération exposée à la plus haute concentration (626 µg/L) a montré une diminution de la reproduction. Les résultats obtenus lors de l'évaluation de la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dans le milieu des daphnies ont souligné l'importance d'utiliser des concentrations mesurées ou prédites en écotoxicologie. En effet, des différences notables entre concentrations nominales et mesurées ont été observées à toutes les concentrations et l'hypothèse d'un phénomène d'adsorption sur le verre des récipients a été posée. De ce fait, il a été nécessaire d'élaborer une méthode prédictive efficace et acceptable, en terme de temps et de coûts. Une régression polynomiale basée sur des concentrations mesurées et nominales a permis de prédire avec efficacité les faibles niveaux d'exposition utilisés lors d'expériences écotoxicologiques à long terme, sur plusieurs générations. Suite aux expériences d'écotoxicoprotéomiques, un total de 3940 protéines ont été identifiées et quantifiées chez des daphnies exposées au tamoxifen. Ce nombre est actuellement la plus large série de données publiées et mises à disposition pour la communauté scientifique. Parmi ces protéines, 189 sont significatives et possiblement reliées à des processus de reproduction et de stress. Sur cette base, nous avons émis l'hypothèse que les individus subissant un stress, lié à l'exposition au tamoxifen, ont utilisé leur énergie de base pour favoriser leur survie plutôt que la reproduction. Enfin, la détermination de bio-marqueurs exprimant des dommages précoces des daphnies exposées au tamoxifen n'a pas abouti en tant que telle, mais des protéines prometteuses, telle que la famille de viellogenin-2 (E9H8K5) et le récepteur à la ryanodine (E9FTU9), ont été exprimées après deux jours d'exposition déjà. Ces protéines pourraient faire l'objet d'investigations écotoxicoprotéomiques futures. Les résultats de cette thèse posent certaines questions quant au risque du tamoxifen, du 4OHTam et de l'endoxifen sur la faune et la flore aquatique et plus particulièrement sur les anticancéreux présents dans l'environnement. Les effets toxiques de ces molécules ont été observés à des concentrations environnementales et sur plusieurs générations. La question de considérer les métabolites, et ainsi les pro-médicaments, en écotoxicologie est soulevée, notamment parce que ces molécules peuvent être plus actives et efficaces que la molécule mère. Les expériences chroniques, sur plusieurs générations sont également à favoriser car elles offrent un meilleur reflet de la réalité environnementale que des essais aigus ou d'une génération. L'utilisation de la protéomique permet d'agrandir les connaissances sur les effets des médicaments à un niveau inférieur de l'organisation biologique et ainsi, de mieux comprendre de potentiels mécanismes d'action ou de déterminer de potentiels biomarqueurs. Finalement, il semble important de discuter de l'opportunité de mesurer les concentrations qui sont testées en écotoxicologie afin de ne pas sous-estimer le risque pour la faune et la flore aquatique.

Combined drug action of 2-phenylimidazo[2,1-b]benzothiazole derivatives on cancer cells according to their oncogenic molecular signatures

The development of targeted molecular therapies has provided remarkable advances into the treatment of human cancers. However, in most tumors the selective pressure triggered by anticancer agents encourages cancer cells to acquire resistance mechanisms. The generation of new rationally designed targeting agents acting on the oncogenic path(s) at multiple levels is a promising approach for molecular therapies. 2-phenylimidazo[2,1-b]benzothiazole derivatives have been highlighted for their properties of targeting oncogenic Met receptor tyrosine kinase (RTK) signaling. In this study, we evaluated the mechanism of action of one of the most active imidazo[2,1-b]benzothiazol-2-ylphenyl moiety-based agents, Triflorcas, on a panel of cancer cells with distinct features. We show that Triflorcas impairs in vitro and in vivo tumorigenesis of cancer cells carrying Met mutations. Moreover, Triflorcas hampers survival and anchorage-independent growth of cancer cells characterized by 'RTK swapping' by interfering with PDGFRβ phosphorylation. A restrained effect of Triflorcas on metabolic genes correlates with the absence of major side effects in vivo. Mechanistically, in addition to targeting Met, Triflorcas alters phosphorylation levels of the PI3K-Akt pathway, mediating oncogenic dependency to Met, in addition to Retinoblastoma and nucleophosmin/B23, resulting in altered cell cycle progression and mitotic failure. Our findings show how the unusual binding plasticity of the Met active site towards structurally different inhibitors can be exploited to generate drugs able to target Met oncogenic dependency at distinct levels. Moreover, the disease-oriented NCI Anticancer Drug Screen revealed that Triflorcas elicits a unique profile of growth inhibitory-responses on cancer cell lines, indicating a novel mechanism of drug action. The anti-tumor activity elicited by 2-phenylimidazo[2,1-b]benzothiazole derivatives through combined inhibition of distinct effectors in cancer cells reveal them to be promising anticancer agents for further investigation.

Combined drug action of 2-phenylimidazo[2,1-b]benzothiazole derivatives on cancer cells according to their oncogenic molecular signatures

The development of targeted molecular therapies has provided remarkable advances into the treatment of human cancers. However, in most tumors the selective pressure triggered by anticancer agents encourages cancer cells to acquire resistance mechanisms. The generation of new rationally designed targeting agents acting on the oncogenic path(s) at multiple levels is a promising approach for molecular therapies. 2-phenylimidazo[2,1-b]benzothiazole derivatives have been highlighted for their properties of targeting oncogenic Met receptor tyrosine kinase (RTK) signaling. In this study, we evaluated the mechanism of action of one of the most active imidazo[2,1-b]benzothiazol-2-ylphenyl moiety-based agents, Triflorcas, on a panel of cancer cells with distinct features. We show that Triflorcas impairs in vitro and in vivo tumorigenesis of cancer cells carrying Met mutations. Moreover, Triflorcas hampers survival and anchorage-independent growth of cancer cells characterized by 'RTK swapping' by interfering with PDGFRβ phosphorylation. A restrained effect of Triflorcas on metabolic genes correlates with the absence of major side effects in vivo. Mechanistically, in addition to targeting Met, Triflorcas alters phosphorylation levels of the PI3K-Akt pathway, mediating oncogenic dependency to Met, in addition to Retinoblastoma and nucleophosmin/B23, resulting in altered cell cycle progression and mitotic failure. Our findings show how the unusual binding plasticity of the Met active site towards structurally different inhibitors can be exploited to generate drugs able to target Met oncogenic dependency at distinct levels. Moreover, the disease-oriented NCI Anticancer Drug Screen revealed that Triflorcas elicits a unique profile of growth inhibitory-responses on cancer cell lines, indicating a novel mechanism of drug action. The anti-tumor activity elicited by 2-phenylimidazo[2,1-b]benzothiazole derivatives through combined inhibition of distinct effectors in cancer cells reveal them to be promising anticancer agents for further investigation.

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.