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Elemental imaging and biological activity of tumor-inhibiting platinum compounds

Legin, Anton (2014) Elemental imaging and biological activity of tumor-inhibiting platinum compounds.
Dissertation, Universität Wien. Fakultät für Chemie
BetreuerIn: Keppler, Bernhard

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30294.87418.155166-2
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Abstract in Englisch

Platinum-based drugs play an important role in cancer therapy mainly due to their high curative potential in certain malignancies. The mechanisms underlying the efficacy, selectivity and side effects of platinum and other metal-based drugs are not sufficiently well understood, though. Interactions with different cell organelles may contribute to these mechanisms. The elucidation of the cellular targets and mechanisms of different platinum drugs may aid in the design of new classes of active antitumor agents with improved therapeutic index. Multi-elemental, isotope-selective imaging by means of NanoSIMS combined with different visualization methods has recently been shown to be a highly sensitive technique for the detection of isotopically labeled compounds in cell biology. A main scope of the first project was the establishment of a reliable combinatory technique for mapping of the subcellular distribution of anticancer compounds, including the identification of structures accumulating the drugs. The subcellular distribution of 15N-labeled cisplatin in human colon cancer cells was consistently characterized by means of NanoSIMS elemental imaging correlated with confocal laser scanning microscopy (CLSM). Platinum was demonstrated to accumulate both in cytoplasmic and nuclear structures. The combinatory approach revealed platinum colocalization with sulfur-rich organelles which were further proven to be of a lysosomal origin. Additionally, statistical analyses confirmed the colocalization of platinum with phosphorus-rich chromatin structures, supporting the important role of DNA binding in the mechanism of action of the drug. The parallel investigation of the distribution of the metal and the ammonia ligands of cisplatin suggested partial dissociation of Pt-N bonds during the accumulation process, in particular within nucleoli at elevated cisplatin concentrations. The unexpected change in stoichiometry of cisplatin and its implications on the mechanisms of action of the drug need to be further evaluated. We showed that the synopsis of high-resolution drug distribution patterns (elemental imaging) and cell morphology (confocal microscopy) holds much promise for resolving questions concerning cellular targets that might be involved in mode of action of clinically relevant and novel anticancer drugs. Beside the establishment of the combinatory imaging studies an in vitro anticancer properties of several classes of classic and non-classic platinum compounds were investigated. Antiproliferative effects of pH-sensitive acetoxime platinum(II) complexes were evaluated in cancer cells of different origin under slightly acidic conditions. In this project relatively inert platinum species were demonstrated in vitro to be capable of activation in the slightly acidic microenvironment of solid tumors. In another project the activation of the trans-geometry was tested on a group of novel oximato-bridged platinum(II) di- and trimer(s) confirming the high antiproliferative activity and the potency of apoptosis induction of trans-configured platinum(II) complexes. Several complexes were proven to be strong apoptotic agents, which could induce cell death even in the cisplatin-resistant SW480 cell line. Further, the cytotoxity of ferrocenyl platinum(IV)-based complexes and the induction of apoptosis and necrosis by bis(carboxylato)dichloridobis(ethylamine) platinum(IV)-compounds were tested in a set of human cancer cell lines, showing the promising potential to overcome the intrinsic resistance to cisplatin in SW480 cells.

Schlagwörter in Englisch

Platinum compounds / intracellular targets / NanoSIMS / elemental imaging / intracellular distribution / biological activity / confocal microscopy

Abstract in Deutsch

Platin-basierte Substanzen spielen eine wichtige Rolle in der Krebstherapie aufgrund ihres hohen kurativen Potentials bei bestimmten bösartigen Erkrankungen. Die Mechanismen, welche der Wirksamkeit, der Selektivität und den Nebenwirkungen zu Grunde liegen, sind allerdings nicht ausreichend verstanden. Wechselwirkungen mit verschiedenen Zellorganellen können zu diesen Mechanismen beitragen. Die Aufklärung der zellulären Zielstrukturen und Mechanismen verschiedener platin-basierter Substanzen könnte helfen, neue antitumorale Substanzen zu finden, welche einen verbesserten therapeutischen Index aufweisen. Es wurde gezeigt, dass isotopen-selektives Multielement-Imaging mittels einer Kombination von NanoSIMS mit verschiedenen Visualisierungsmethoden eine hoch sensitive Methode darstellt, um isotopen-markierte Substanzen in zellbiologischen Proben zu detektieren. Gegenstand des ersten Teils der Arbeit war es, mittels der genannten Kombination von Techniken eine zuverlässige Methode für die Darstellung der subzellulären Verteilung antitumoraler Substanzen und die Identifizierung jener Organellen, in welchen die Substanzen angereichert werden, zu etablieren. Die subzelluläre Verteilung von 15N-markiertem Cisplatin in menschlichen Darmkrebszellen wurde charakterisiert, indem die Element-Verteilungen in den NanoSIMS-Bildern mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) in Beziehung gesetzt wurden. Es wurde gezeigt, dass sich Platin sowohl in cytoplasmatischen als auch in nukleären Strukturen anreichert. Die Kombination der Techniken ergab, dass Platin in schwefelreichen Organellen akkumuliert wird, welche als von lysosomalem Ursprung identifiziert wurden. Darüber hinaus bestätigten statistische Analysen eine Kolokalisation von Platin mit phosphorreichen Chromatinstrukturen, was die wichtige Rolle der DNA-Bindung im Wirkmechanismus der Substanz untermauert. Die gleichzeitige Untersuchung der Verteilung des Metalls und jener der Ammin-Liganden legt eine teilweise Dissoziation der Pt-N Bindungen während des Akkumulations-Vorgangs nahe, insbesondere in den Nucleoli bei höheren Cisplatin-Konzentrationen. Die unerwartete Veränderung der Stöchiometrie von Cisplatin und deren Bedeutung für den Wirkmechanismus der Substanz bedürfen weiterer Untersuchungen. Wir konnten zeigen, dass die Zusammenschau von hochaufgelösten Substanz-Verteilungsmustern (Element-Imaging) und Zellmorphologie (konfokale Mikroskopie) ein viel versprechender Ansatz ist, um Fragen der zellulären Zielstrukturen, welche eine Rolle im Wirkmechanismus klinisch relevanter und neuartiger antitumoraler Substanzen spielen, zu klären. Neben der Etablierung dieser kombinations-basierten Imaging-Studien wurde eine Reihe von In-vitro-Untersuchungen zu den antitumoralen Wirkungen verschiedener Klassen von klassischen- und nicht-klassischen Platinverbindungen durchgeführt. Die pH-abhängigen antiproliferativen Effekte von Acetoxim-Platin(II)-Komplexen wurden unter schwach sauren Bedingungen an Krebszellen unterschiedlichen Ursprungs untersucht. In diesem Projekt konnte in vitro gezeigt werden, dass relativ inerte Platinspezies im leicht sauren Mikromilieu solider Tumore aktivierbar sind. In einem anderen Projekt wurde die Aktivierung der Trans-Geometrie an neuartigen oximato-verbrückten Platin(II)-Dimeren und -Trimeren untersucht, wobei die hohe antiproliferative Aktivität der trans-konfigurierten Platin(II)-Komplexe und deren Vermögen, Apoptose zu induzieren, bestätigt wurden. Es wurde bewiesen, dass einige dieser Komplexe starke Apoptose auslösende Eigenschaften aufweisen, welche den Zelltod sogar in der cisplatin-resistenten Darmkrebs-Zelllinie SW480 induzieren konnten. Weiters wurden die Zytotoxizität von Ferrocenyl enthaltenden Platin(IV)-Komplexen und die Induktion von Apoptose und Nekrose durch Bis(carboxylato)dichloridobis(ethylamin)platin(IV)-Verbindungen in einer Reihe humaner Krebszelllinien untersucht und gezeigt, dass diese ein viel versprechendes Vermögen aufweisen, die intrinsische Cisplatin-Resistenz in SW480-Zellen zu überwinden.

Schlagwörter in Deutsch

Platinverbindungen / Intrazelluläre Zielstrukturen / NanoSIMS / Element-Imaging / Intrazelluläre Verteilung / Biologische Aktivität / Konfokal Mikroskopie

Dokumentenart: Hochschulschrift (Dissertation)
AutorIn: Legin, Anton
Titel: Elemental imaging and biological activity of tumor-inhibiting platinum compounds
Umfangsangabe: 120 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)
Publikationsjahr: 2014
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Keppler, Bernhard
BeurteilerIn: Gibson, Dan
2. BeurteilerIn: Meibom, Anders
Klassifikation: 35 Chemie > 35.40 Anorganische Chemie: Allgemeines
AC-Nummer: AC12266956
Dokumenten-ID: 35450
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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