Determinación de la actividad estabilizadora de microtúbulos de fracciones ricas en diterpenoides obtenidas mediante HPLC de extractos de hojas, tallos y corteza de Taxus globosa.

Tesis (Maestría en Ciencias con Especialidad en Química de Productos Naturales) UANL

Mise au point de nanoparticules polymères pour l'administration parentérale d'agents anticancéreux hydrophobes

Plusieurs agents anticancéreux très puissants sont caractérisés par une solubilité aqueuse limitée et une toxicité systémique importante. Cette dernière serait liée d’une part à la solubilisation des agents anticancéreux à l’aide de surfactifs de bas poids moléculaire, connus pour leur toxicité intrinsèque, et d’autre part, par le manque de spécificité tissulaire des anticancéreux. Les vecteurs colloïdaux à base de polymères permettraient de résoudre certains défis liés à la formulation d’agents anticancéreux hydrophobes. D’abord, les polymères peuvent être sélectionnés afin de répondre à des critères précis de compatibilité, de dégradation et d’affinité pour le médicament à formuler. Ensuite, le fait d’encapsuler l’agent anticancéreux dans un vecteur peut améliorer son efficacité thérapeutique en favorisant son accumulation au niveau du tissu cible, i.e. la tumeur, et ainsi limiter sa distribution au niveau des tissus sains. Des travaux antérieurs menés au sein de notre laboratoire ont mené à la mise au point de micelles à base de poly(N-vinyl-pyrrolidone)-bloc-poly(D,L-lactide) (PVP-b-PDLLA) capables de solubiliser des agents anticancéreux faiblement hydrosolubles dont le PTX. Ce dernier est commercialisé sous le nom de Taxol® et formulé à l’aide du Crémophor EL (CrEL), un surfactif de bas poids moléculaire pouvant provoquer, entre autres, des réactions d’hypersensibilité sévères. Bien que les micelles de PVP-b-PDLLA chargées de PTX aient démontré une meilleure tolérance comparée au Taxol®, leur potentiel de ciblage tumoral et leur efficacité thérapeutique étaient similaires à la forme commerciale à doses égales. Ceci était possiblement dû au fait que les micelles étaient rapidement déstabilisées et ne pouvaient retenir leur cargo suite à leur administration intraveineuse. Nous avons donc décidé de poursuivre les travaux avec un autre type de vecteur, soit des nanoparticules, qui possèdent une stabilité intrinsèque supérieure aux micelles. L’objectif principal de cette thèse de doctorat était donc de mettre au point des nanoparticules polymères pour l’administration parentérale d’agents anticancéreux faiblement solubles dans l’eau. Les nanoparticules devaient permettre d’encapsuler des agents anticancéreux hydrophobes et de les libérer de manière contrôlée sur plusieurs jours. De plus, elles devaient démontrer un temps de circulation plasmatique prolongée afin de favoriser l’accumulation passive du médicament encapsulé au niveau de la tumeur. La première partie du travail visait à employer pour la première fois le copolymère amphiphile PVP-b-PDLLA comme émulsifiant dans la préparation de nanoparticules polymères. Ainsi, une méthode de fabrication des nanoparticules par émulsion huile-dans-eau a été appliquée afin de produire des nanoparticules à base de PDLLA de taille inférieure à 250 nm. Grâce aux propriétés lyoprotectrices de la couronne de PVP présente à la surface des nanoparticules, celles-ci pouvaient retrouver leur distribution de taille initiale après lyophilisation et redispersion en milieu aqueux. Deux anticancéreux hydrophobes, soit le PTX et l’étoposide (ETO), ont été encapsulés dans les nanoparticules et libérés de ces dernières de façon contrôlée sur plusieurs jours in vitro. Une procédure de « salting-out » a été appliquée afin d’améliorer le taux d’incorporation de l’ETO initialement faible étant donnée sa solubilité aqueuse légèrement supérieure à celle du PTX. Le second volet des travaux visait à comparer le PVP comme polymère de surface des nanoparticules au PEG, le polymère le plus fréquemment employé à cette fin en vectorisation. Par le biais d’études d’adsorption de protéines, de capture par les macrophages et de biodistribution chez le rat, nous avons établi une corrélation in vitro/in vivo démontrant que le PVP n’était pas un agent de surface aussi efficace que le PEG. Ainsi, malgré la présence du PVP à la surface des nanoparticules de PDLLA, ces dernières étaient rapidement éliminées de la circulation sanguine suite à leur capture par le système des phagocytes mononucléés. Par conséquent, dans le troisième volet de cette thèse, le PEG a été retenu comme agent de surface, tandis que différents polymères biodégradables de la famille des polyesters, certains synthétiques (PDLLA et copolymères d’acide lactique/acide glycolique), d’autres de source naturelle (poly(hydroxyalkanoates)(PHAs)), ont été investiguées comme matériaux formant le cœur des nanoparticules. Il en est ressorti que les propriétés physicochimiques des polyesters avaient un impact majeur sur l’efficacité d’encapsulation du PTX et son profil de libération des nanoparticules in vitro. Contrairement aux PHAs, les polymères synthétiques ont démontré des taux d’incorporation élevés ainsi qu’une libération contrôlée de leur cargo. Des études de pharmacocinétique et de biodistribution ont démontré que les nanoparticules de PDLLA dotées d’une couronne de PEG conféraient un temps de circulation plasmatique prolongé au PTX et favorisaient son accumulation tumorale. Les nanoparticules polymères représentent donc une alternative intéressante au Taxol®.

Bcl-xL regulation and function in cell cycle checkpoints and progression

Quelques évidences suggèrent que Bcl-xL, un membre anti-apoptotique de la famille Bcl-2, possède également des fonctions au niveau du cycle cellulaire et de ses points-contrôle. Pour étudier la régulation et fonction de Bcl-xL au cours du cycle cellulaire, nous avons généré et exprimé dans des cellules humaines une série de mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser49Ala, Ser56Ala, Ser62Ala et Thr115Ala. L'analyse de cette série de mutants révèle que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser62Ala) sont moins stables au point-contrôle G2 du cycle cellulaire comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou les autres mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala et Thr115Ala. Les études de cinétiques de phosphorylation et de localisation de phospho-Bcl-xL(Ser62) dans des cellules synchronisées et suite à l'activation du point-contrôle en G2 médié par l'étoposide (VP16), nous indiquent que phospho-Bcl-xL(Ser62) migre dans les corps nucléolaires durant l'arrêt en G2 dans les cellules exposées au VP16. Une série d'expériences incluant des essais kinase in vitro, l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques et d'ARN interférant, nous révèlent que Polo kinase 1 (PLK1) et MAPK9/JNK2 sont les protéines kinase impliquées dans la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62), et pour son accumulation dans les corps nucléolaires pendant le point-contrôle en G2. Nos résultats indiquent que durant le point-contrôle en G2, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie et se co-localise avec CDK1(CDC2), le complexe cycline-kinase qui contrôle l'entrée en mitose. Nos résultats suggèrent que dans les corps nucléolaires, phospho-Bcl-xL(Ser62) stabilise l'arrêt en G2 en séquestrant CDK1(CDC2) pour retarder l'entrée en mitose. Ces résultats soulignent également que les dommages à l'ADN influencent la composition des corps nucléolaires, structure nucléaire qui émerge maintenant comme une composante importante de la réponse aux dommages à l'ADN. Dans une deuxième étude, nous décrivons que les cellules exprimant le mutant de phosphorylation Bcl-xL(Ser62Ala) sont également plus stables au point-contrôle de l'assemblage du fuseau de la chromatine (SAC) suite à une exposition au taxol, comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou d'autres mutants de phosphorylation de Bcl-xL, incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala. Cet effet est indépendent de la fonction anti-apoptotique de Bcl-xL. Bcl-xL(Ser62) est fortement phosphorylé par PLK1 et MAPK14/SAPKp38α à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et déphosphorylé à la télophase et la cytokinèse. Phospho-Bcl-xL(Ser62) se trouve dans les centrosomes avec γ-tubuline, le long du fuseau mitotique avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique avec des composantes du SAC. Dans des cellules exposées au taxol, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie au complexe inhibiteur CDC20/MAD2/BUBR1/BUB3, alors que le mutant Bcl-xL(Ser62Ala) ne se lie pas à ce complexe. Ces résultats indiquent que durant le SAC, la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62) accélère la résolution du SAC et l'entrée des cellules en anaphase. Des expériences bloquant l'expression de Bcl-xL révèlent ègalement un taux très élevé de cellules tétraploïdes et binuclées après un traitement au nocodazole, consistant avec une fonction de Bcl-xL durant la mitose et dans la stabilité génomique. Dans la troisième étude, l'analyse fonctionnelle de cette série de mutants de phosphorylation indique également que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser49Ala) sont moins stables durant le point-contrôle G2 et entre en cytokinèse plus lentement dans des cellules exposées aux inhibiteurs de la polymérisation/dépolymérisation des tubulines, composantes des microtubules. Ces effets de Bcl-xL(Ser49Ala) sont indépendents de sa fonction anti-apoptotique. La phosphorylation de Bcl-xL(Ser49) est dynamique au cours du cycle cellulaire. Dans des cellules synchronisées, Bcl-xL(Ser49) est phosphorylé en phase S et G2, déphosphorylé à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et re-phosphorylé durant la télophase et la cytokinèse. Au cours du point-contrôle G2 induit par les dommages à l'ADN, un pool important de phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve aux centrosomes, un site important pour la régulation de l'entrée en mitose. Durant la télophase et la cytokinèse, phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve le long des microtubules avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique. Finalement, nos résultats suggèrent que PLK3 est responsable de la phosphorylation de Bcl-xL(Ser49), une protéine kinase impliquée pour l'entrée des cellules en mitose et pour la progression de la mitose jusqu'à la division cellulaire.

Development of an adenoviral vector with robust expression driven by p53

Here we introduce a new adenoviral vector where transgene expression is driven by p53. We first developed a synthetic promoter, referred to as PGTx beta containing a p53-responsive element, a minimal promoter and the first intron of the rabbit P-globin gene. Initial assays using plasmid-based vectors indicated that expression was tightly controlled by p53 and was 5-fold stronger than the constitutive CMV immediate early promoter/enhancer. The adenoviral vector, AdPG, was also shown to offer p53-responsive expression in prostate carcinoma cells LNCaP (wt p53), DU-145 (temperature sensitive mutant of p53) and PC3 (p53-null, but engineered to express temperature-sensitive p53 mutants). AdPG served as a sensor of p53 activity in LNCaP cells treated with chemotherapeutic agents. Since p53 can be induced by radiotherapy and chemotherapy, this new vector could be further developed for use in combination with conventional therapies to bring about cooperation between the genetic and pharmacologic treatment modalities. (c) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Fragment-Based QSAR and Molecular Modeling Studies on a Series of Discodermolide Analogs as Microtubule-Stabilizing Anticancer Agents

Inhibition of microtubule function is an attractive rational approach to anticancer therapy. Although taxanes are the most prominent among the microtubule-stabilizers, their clinical toxicity, poor pharmacokinetic properties, and resistance have stimulated the search for new antitumor agents having the same mechanism of action. Discodermolide is an example of nontaxane natural product that has the same mechanism of action, demonstrating superior antitumor efficacy and therapeutic index. The extraordinary chemical and biological properties have qualified discodermolide as a lead structure for the design of novel anticancer agents with optimized therapeutic properties. In the present work, we have employed a specialized fragment-based method to develop robust quantitative structure - activity relationship models for a series of synthetic discodermolide analogs. The generated molecular recognition patterns were combined with three-dimensional molecular modeling studies as a fundamental step on the path to understanding the molecular basis of drug-receptor interactions within this important series of potent antitumoral agents.

Nocodazole inhibits insulin-stimulated glusocs transport in 3T3-L1 adipocytes via a microtubule independant mechanism

Insulin stimulates glucose transport in adipocytes and muscle cells by triggering redistribution of the GLUT4 glucose transporter from an intracellular perinuclear location to the cell surface. Recent reports have shown that the microtubule-depolymerizing agent nocodazole inhibits insulin-stimulated glucose transport, implicating an important role for microtubules in this process. In the present study we show that 2 µM nocodazole completely depolymerized microtubules in 3T3-L1 adipocytes, as determined morphologically and biochemically, resulting in dispersal of the perinuclear GLUT4 compartment and the Golgi apparatus. However, 2 µM nocodazole did not significantly effect either the kinetics or magnitude of insulin-stimulated glucose transport. Consistent with previous studies, higher concentrations of nocodazole (10-33 µM) significantly inhibited basal and insulin-stimulated glucose uptake in adipocytes. This effect was not likely the result of microtubule depolymerization because in the presence of taxol, which blocked nocodazole-induced depolymerization of microtubules as well as the dispersal of the perinuclear GLUT4 compartment, the inhibitory effect of 10-33 µM nocodazole on insulin-stimulated glucose uptake prevailed. Despite the decrease in insulin-stimulated glucose transport with 33 µM nocodazole we did not observe inhibition of insulin-stimulated GLUT4 translocation to the cell surface under these conditions. Consistent with a direct effect of nocodazole on glucose transporter function we observed a rapid inhibitory effect of nocodazole on glucose transport activity when added to either 3T3-L1 adipocytes or to Chinese hamster ovary cells at 4 °C. These studies reveal a new and unexpected effect of nocodazole in mammalian cells which appears to occur independently of its microtubule-depolymerizing effects.

Novel alginate-enclosed chitosan–calcium phosphate-loaded iron-saturated bovine lactoferrin nanocarriers for oral delivery in colon cancer therapy

Aim: To develop polymeric-ceramic nanocarriers (NCs) in order to achieve oral delivery of the anticancer neutraceutical iron-saturated bovine lactoferrin (Fe-bLf) protein.

Materials & methods: Fe-bLf or paclitaxel (Taxol®) were adsorbed onto calcium phosphate nanocores, enclosed in biodegradable polymers chitosan and alginate. The Fe-bLf or Taxol-loaded NCs indicated as AEC–CP–Fe-bLf or AEC–CP–Taxol NCs, respectively, were made by combination of ionic gelation and nanoprecipitation. Size distribution, morphology, internalization and release profiles of the NCs were studied along with evaluation of in vitro and in vivo anticancer activities and compared with paclitaxel.

Results: AEC–CP–Fe-bLf NCs obtained spherical morphology and showed enhanced endocytosis, transcytosis and anticancer activity in Caco-2 cells in vitro. AEC–CP–Fe-bLf NCs were supplemented in an AIN 93G diet and fed to mice in both prevention and treatment human xenograft colon cancer models. AEC–CP–Fe-bLf NCs were found to be highly significantly effective when given orally, as a pretreatment, 1 week before Caco-2 cell injections. None of the mice from the AEC–CP–Fe-bLf NC-fed group developed tumors or showed any signs of toxicity, while the mice fed the control AIN 93G diet showed normal tumor growth. Fe-bLf or Taxol, when given orally in a diet as nanoformulations post-tumor development, showed a significant regression in the tumor size with complete inhibition of tumor growth later, while intratumoral injection of Taxol just delayed the growth of tumors. The pharmacokinetic and bioavailability studies indicated that nanoformulated Fe-bLf was predominantly present on tumor cells compared to non-nanoformulated Fe-bLf. Fe-bLf-loaded NCs were found to help in absorption of iron and thus may have utility in enhancing the iron uptake during iron deficiency without interfering with the absorption of calcium.

Conclusion: With the promising results of our study, the future potential of NC-loaded Fe-bLf in chemoprevention and in the treatment of human colon cancer, deserves further investigation for translational research and preclinical studies of other malignancies.

Oral administration of iron-saturated bovine lactoferrin-loaded ceramic nanocapsules for breast cancer therapy and influence on iron and calcium metabolism

We determined the anticancer efficacy and internalization mechanism of our polymeric-ceramic nanoparticle system (calcium phosphate nanocores, enclosed in biodegradable polymers chitosan and alginate nanocapsules/nanocarriers [ACSC NCs]) loaded with iron-saturated bovine lactoferrin (Fe-bLf) in a breast cancer xenograft model. ACSC-Fe-bLf NCs with an overall size of 322±27.2 nm were synthesized. In vitro internalization and anticancer efficacy were evaluated in the MDA-MB-231 cells using multicellular tumor spheroids, CyQUANT and MTT assays. These NCs were orally delivered in a breast cancer xenograft mice model, and their internalization, cytotoxicity, biodistribution, and anticancer efficacy were evaluated. Chitosan-coated calcium phosphate Fe-bLf NCs effectively (59%, P≤0.005) internalized in a 1-hour period using clathrin-mediated endocytosis (P≤0.05) and energy-mediated pathways (P≤0.05) for internalization; 3.3 mg/mL of ACSC-Fe-bLf NCs completely disintegrated (~130-fold reduction, P≤0.0005) the tumor spheroids in 72 hours and 96 hours. The IC50 values determined for ACSC-Fe-bLf NCs were 1.69 mg/mL at 10 hours and 1.62 mg/mL after 20 hours. We found that Fe-bLf-NCs effectively (P≤0.05) decreased the tumor size (4.8-fold) compared to the void NCs diet and prevented tumor recurrence when compared to intraperitoneal injection of Taxol and Doxorubicin. Receptor gene expression and micro-RNA analysis confirmed upregulation of low-density lipoprotein receptor and transferrin receptor (liver, intestine, and brain). Several micro-RNAs responsible for iron metabolism upregulated with NCs were identified. Taken together, orally delivered Fe-bLf NCs offer enhanced antitumor activity in breast cancer by internalizing via low-density lipoprotein receptor and transferrin receptor and regulating the micro-RNA expression. These NCs also restored the body iron and calcium levels and increased the hematologic counts.

PHENYLBUTANOID AND TAXANE-LIKE METABOLITES FROM NEEDLES OF TAXUS-BREVIFOLIA

The structures for brevifoliol and three baccatin VI derivatives were revised to possess the novel 11(15 --> 1)-abeotaxane tricylic skeleton based on X-ray crystallographic studies. Four more new rearranged taxane derivatives related to brevifoliol and the unusual phenylbutanoid, (-)-rhododendrol, were isolated from the needles of Taxus breuifolia. Their structures were established as 10 beta-benzoxy-5 alpha-(3'-dimethylamino-3'-phenyl)-propanoxy-1 beta-hydroxy- 7 beta,9 alpha,13 alpha-triacetoxy-11(15 --> 1)-abeotaxa-4(20),11-diene; 10 beta-benzoxy-1 beta-hydroxy-5 alpha-(3'-methylamino-3'-phenyl)- propanoxy-7 beta,9 alpha,l3 alpha-triacetoxy-11(15 --> 1)-abeotaxa-4(20),11-diene; 10 beta-benzoxy-5 alpha-cinnamoxy-1 beta-hydroxy-7 beta,9 alpha,13 alpha-triacetoxy-1 1(15 --> 1)-abeotaxa-4(20),11-diene; 10 beta-benzoxy-1 beta,5 alpha-dihydroxy-7 beta,9 alpha,13 alpha-triacetoxy-11(15 --> 1)-abeotaxa-4(20),11-diene and 2(R)-hydroxy-4-(4'-hydroxyphenyl)-butane.

Estudo comparativo da atividade antiinflamatória e anti-tumoral de proteínas inativadoras de ribossomos extraídas de plantas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Pesquisa de atividade antitumoral e mutagênica in vitro de produtos naturais

Pós-graduação em Ciências Farmacêuticas - FCFAR

Efeito dos componentes obtidos de qualea multiflora sobre modelo tumoral mamário murino e sua influência no sistema imunológico

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Efeitos anti-inflamatório e antitumoral dos constituintes de Qualea grandiflora no tumor de Ehrlich

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Human ABCB1 confers cells resistance to cytotoxic guanidine alkaloids from Pterogyne nitens

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Mechanics and dynamics of liposomes and cells studied by QCM and ECIS

The present thesis introduces a novel sensitive technique based on TSM resonators that provides quantitative information about the dynamic properties of biological cells and artificial lipid systems. In order to support and complement results obtained by this method supplementary measurements based on ECIS technique were carried out. The first part (chapters 3 and 4) deals with artificial lipid systems. In chapter 3 ECIS measurements were used to monitor the adsorption of giant unilamellar vesicles as well as their thermal fluctuations. From dynamic Monte Carlo Simulations the rate constant of vesicle adsorption was determined. Furthermore, analysis of fluctuation measurements reveals Brownian motion reflecting membrane undulations of the adherent liposomes. In chapter 4 QCM-based fluctuation measurements were applied to quantify nanoscopically small deformations of giant unilamellar vesicles with an external electrical field applied simultaneously. The response of liposomes to an external voltage with shape changes was monitored as a function of cholesterol content and adhesion force. In the second part (chapters 5 - 8) attention was given to cell motility. It was shown for the first time, that QCM can be applied to monitor the dynamics of living adherent cells in real time. QCM turned out to be a highly sensitive tool to detect the vertical motility of adherent cells with a time resolution in the millisecond regime. The response of cells to environmental changes such as temperature or osmotic stress could be quantified. Furthermore, the impact of cytochalasin D (inhibits actin polymerization) and taxol (facilitate polymerization of microtubules) as well as nocodazole (depolymerizes microtubules) on the dynamic properties of cells was scrutinized. Each drug provoked a significant reduction of the monitored cell shape fluctuations as expected from their biochemical potential. However, not only the abolition of fluctuations was observed but also an increase of motility due to integrin-induced transmembrane signals. These signals were activated by peptides containing the RGD sequence, which is known to be an integrin recognition motif. Ultimately, two pancreatic carcinoma cell lines, derived from the same original tumor, but known to possess different metastatic potential were studied. Different dynamic behavior of the two cell lines was observed which was attributed to cell-cell as well as cell-substrate interactions rather than motility. Thus one may envision that it might be possible to characterize the motility of different cell types as a function of many variables by this new highly sensitive technique based on TSM resonators. Finally the origin of the broad cell resonance was investigated. Improvement of the time resolution reveals the "real" frequency of cell shape fluctuations. Several broad resonances around 3-5 Hz, 15-17 Hz and 25-29 Hz were observed and that could unequivocally be assigned to biological activity of living cells. However, the kind of biological process that provokes this synchronized collective and periodic behavior of the cells remains to be elucidated.