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Pharmacokinetic and bioimaging studies of platinum-based anticancer complexes by ICP-MS and LA-ICP-MS

Theiner, Sarah (2015) Pharmacokinetic and bioimaging studies of platinum-based anticancer complexes by ICP-MS and LA-ICP-MS.
Dissertation, Universität Wien. Fakultät für Chemie
BetreuerIn: Keppler, Bernhard

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29429.82574.961559-7
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Abstract in Englisch

Platinum(II) complexes (cisplatin, carboplatin and oxaliplatin) are one of the most effectively and widely used classes of cytostatics in oncological treatment regimens. Platinum(IV) complexes as potential anticancer agents appear to be capable of overcoming the main limitations associated with classical platinum(II)-based chemotherapy including severe side effects due to low selectivity, acquired and/or intrinsic tumor resistance and inconvenience of intravenous administration. The modulation of the coordination sphere (especially of the axial ligands) offers a variety of opportunities for fine-tuning of pharmacologically relevant physicochemical properties, thus designing effective and safe prodrugs for oral administration. In this PhD thesis, bioanalytical approaches based on inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) and laser ablation (LA) hyphenated to ICP-MS (LA-ICP-MS) were developed and applied for pharmacokinetic and bioimaging investigations of platinum-based complexes. The pharmacokinetic behavior together with the anticancer activity of two experimental platinum(IV) complexes were evaluated in the murine CT-26 colon cancer model in comparison to satraplatin (the first orally active platinum compound in clinical trials). The two novel platinum(IV) anticancer complexes exhibited similar in vivo anticancer activity after oral treatment although the in vitro cytotoxicity and the platinum concentrations in tissues, tumor and serum differed significantly. Unexpectedly, the clinically-tested drug satraplatin proved to be inactive in vivo in the adopted model. Platinum accumulation in tissues of mice after p.o. and i.p. treatment with the drug candidates was determined using microwave-assisted acid digestion followed by platinum quantification with ICP-MS. All three compounds showed a similar pattern of accumulation for platinum with highest amounts in liver, followed by kidney and blood. Compound 1 ((OC-6-33)-dichloridobis((4-ethoxy)-4-oxobutanoato)-bis(ethylamine)platinum(IV)) features high drug absorption and tissue platinum levels after oral administration. Satraplatin exhibited lower platinum concentrations in tumor, whereas relatively low platinum amounts were detected in all tissue samples after treatment with compound 2 ((OC-6-33)-diammine(cyclobutane-1,1-dicarboxylato)-bis((4-cyclopentylamino)-4- oxobutanoato)platinum(IV)). In addition, the fate of the platinum(IV) complexes in vivo was studied in serum samples by size exclusion chromatography (SEC) hyphenated to ICP-MS, indicating extensive metabolisation and protein binding already after 2 h. In a next step, we used a quantitative LA-ICP-MS approach, developed and validated in our group to get insights into the platinum distribution in histologically heterogeneous substructures of tissue sections after the treatment with the platinum complexes under investigation. Quantification with LA-ICP-MS is challenging due to elemental fractionation processes and certified reference materials are not at hand or unsuitable for many of the applications. Our quantification approach is based on matrix-matched calibration standards (prepared from homogenized liver) spiked with defined amounts of the respective metal (e.g. Pt and Ru) from standard solutions. The metal concentrations of the standards were verified by microwave-assisted acid digestion and consecutive quantification of the metal by ICP-MS. Subsequently, the developed quantitative method of analysis by LA-ICP-MS was applied to assess the platinum distribution upon repetitive treatment with experimental platinum(IV)-based anticancer agents in comparison to satraplatin and oxaliplatin as reference compounds in tumor tissue of CT-26 bearing mice. We demonstrated that histologically confirmed tumor heterogeneity correlated well with the platinum accumulation pattern, determined by LA-ICP-MS. The highest levels of platinum were observed in loose, soft tissue compared to solid parts of the tumor tissue. Another focus of this study was to assess the potential of the platinum distribution in different compartments of kidney sections as indicator for nephrotoxicity. Similar to the nephrotoxic anticancer drug cisplatin, oxaliplatin and satraplatin exhibited elevated platinum levels in the cortex as compared to the medulla. However, treatment with the compounds in our study did not result in alteration of renal structures. This indicates that the nephrotoxic potential of platinum-based compounds cannot be predicted solely based on the metal distribution pattern determined by LA-ICP-MS.

Schlagwörter in Englisch

bioimaging / LA-ICP-MS / ICP-MS / pharmacokinetics / metal-based anticancer drugs

Abstract in Deutsch

Platin(II)-Komplexe (Cisplatin, Carboplatin und Oxaliplatin) gehören zu den effektivsten und meist eingesetzten Substanzklassen in der Chemotherapie. Platin(IV)-Verbindungen als potenzielle Krebstherapeutika könnten die Hauptnachteile, die mit klassischer Platin(II)-basierender Chemotherapie verbunden sind, umgehen. Diese beinhalten schwerwiegende Nebenwirkungen wegen niedriger Selektivität, erworbene und/oder intrinsische Tumorresistenz und intravenöse Administration. Die Modulation der Koordinationssphäre (insbesondere der axialen Liganden) bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten pharmakologisch relevante physikochemische Eigenschaften anzupassen und könnte das Design von effektiven und sicheren Prodrugs für orale Verabreichung ermöglichen. In dieser Doktorarbeit wurden bioanalytische Methoden basierend auf induktiv gekoppelter Plasma- Massenspektrometrie (ICP-MS) und Laser Ablation (LA) gekoppelt mit ICP-MS entwickelt und verwendet, um pharmakokinetische Studien von Platinkomplexen durchzuführen. Es wurden die pharmakokinetischen Eigenschaften und die Antitumoraktivität im Kolonkarzinoma Mausmodell CT- 26 von zwei neu entwickelten Platin(IV)-Komplexen evaluiert und mit Satraplatin verglichen (der ersten oral aktiven Platinverbindung in klinischen Studien). Die zwei neuartigen Platin(IV)-Verbindungen zeigten ähnliche in vivo Aktivität nach oraler Verabreichung, obwohl die in vitro Zytotoxizität und die Platinkonzentrationen in Gewebe, Tumor und Serum signifikant unterschiedlich waren. Entgegen den Erwartungen war die klinisch getestete Platinverbindung Satraplatin inaktiv auf dem getesteten Maustumormodell. Die Platinakkumulation in Gewebeproben von Mäusen, die oral und intraperitoneal mit Platin(IV)-Komplexen behandelt wurden, wurde mittels Mikrowellenaufschluss und anschließender Platinquantifizierung mit ICP-MS bestimmt. Alle drei getesteten Platinverbindungen zeigten ein vergleichbares Platinakkumulationsmuster, wobei die höchsten Konzentrationen in Leber, Niere und Blut gefunden wurden. Komplex 1 zeichnete sich durch hohe Absorption und Platinkonzentrationen in Gewebeproben nach oraler Verabreichung aus. Satraplatin zeigte niedrigere Platinkonzentrationen in Tumor, während die niedrigsten Platinmengen in allen Gewebeproben nach Administration von Komplex 2 nachgewiesen wurden. Es wurde das Verhalten der Platin(IV)-Komplexe zusätzlich mittels Größenausschlusschromatographie gekoppelt mit ICP-MS in vivo in Mausserumproben untersucht. Die Resultate weisen auf eine Metabolisierung und Proteinanbindung der Platinverbindung bereits nach zwei Stunden hin. Im nächsten Schritt wurde eine quantitative LA-ICP-MS Methode, die in unserer Gruppe entwickelt und validiert wurde, verwendet, um die Platinverteilung in histologisch heterogenen Gewebeproben zu untersuchen, die von Mäusen stammen, die mit Platinverbindungen behandelt wurden. Im Gegensatz zu Flüssigmessungen mit ICP-MS, stellt die Quantifizierung mit LA-ICP-MS eine Herausforderung dar, da Fraktionierungsprozesse der Elemente stattfinden können und oftmals geeignete zertifizierte Referenzmaterialien für bestimmte Anwendungen nicht verfügbar sind. Unsere Quantifizierungsstrategie basiert auf Kalibrationsstandards, die aus homogenisierter Leber hergestellt und mit definierten Konzentrationen von flüssigen Metallstandards (z.B. Platin oder Ruthenium) gespikt wurden. Die Konzentration der Standards wurde mit Mikrowellenaufschluss und anschließender Quantifizierung des Metalls mittels ICP-MS bestätigt. In einer weiterführenden Studie wurde die LA-ICP-MS Methode verwendet, um die ortsaufgelöste Platinverteilung in Tumorgewebe des Kolonkarzinom CT-26 Mausmodells nach mehrmaliger Verabreichung von drei neuartigen Platin(IV)-Verbindungen im Vergleich zu Oxaliplatin und Satraplatin als Referenzverbindungen zu untersuchen. Wir konnten zeigen, dass die histologisch bestätigte Tumorheterogenität mit der Platinakkumulation, die mit LAICP- MS bestimmt wurde, korreliert. Es konnten höhere Platinkonzentrationen im weichen Bindegewebe als in dichteren Tumorgewebe nachgewiesen werden. Ein anderer Schwerpunkt der Studie lag darin, das Potential des Platinverteilungsmusters in verschiedenen Substrukturen von Nierengewebe als möglicher Indikator für Nephrotoxizität zu überprüfen. Oxaliplatin und Satraplatin weisen eine ähnliche Platinverteilung wie Cisplatin auf, mit höheren Platinkonzentrationen im Kortex der Niere, im Vergleich zur Medulla. Die Behandlung mit den Verbindungen unserer Studie resultierte jedoch im Gegensatz zum nephrotoxischen Cisplatin nicht in einer Veränderung der Nierenstrukturen. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass es nicht möglich ist das nephrotoxische Potential von Platinverbindungen nur anhand der Metallverteilung, die mittels LA-ICP-MS bestimmt wurde, vorherzusagen.

Schlagwörter in Deutsch

Pharmakokinetische Studien / LA-ICP-MS / ICP-MS / metallbasierende Krebstherapeutika

Dokumentenart: Hochschulschrift (Dissertation)
AutorIn: Theiner, Sarah
Titel: Pharmacokinetic and bioimaging studies of platinum-based anticancer complexes by ICP-MS and LA-ICP-MS
Umfangsangabe: 111 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)
Publikationsjahr: 2015
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Keppler, Bernhard
BeurteilerIn: Marchetti-Deschmann, Martina
2. BeurteilerIn: Jakubowksi, Norbert
Klassifikation: 35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines
35 Chemie > 35.49 Anorganische Chemie: Sonstiges
AC-Nummer: AC13116750
Dokumenten-ID: 40133
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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