Universitätsbibliothek Wien

Novel in vitro models for studying aspects of the anticancer activity of metal compounds

Schreiber-Brynzak, Ekaterina (2016) Novel in vitro models for studying aspects of the anticancer activity of metal compounds.
Dissertation, Universität Wien. Fakultät für Chemie
BetreuerIn: Keppler, Bernhard K.
Gesperrt bis: 11 Februar 2018
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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29531.19967.729453-3
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Abstract in Englisch

Despite the new developments known as targeted and immunotherapy, chemotherapeutical agents will still remain keystones in cancer therapy. However, the development of new anti-cancer drugs, both targeted therapeutics and classic chemotherapeutics, faces major difficulties due to often poor translation of preclinical results to the clinical situation. One of the main rea-sons is the complexity of solid tumors and in vivo pathways, on the one hand and the highly sim-plified character of common in vitro techniques on the other. Standard monolayer cell culture is a very poorly predictive model for preclinical drug research, as cancer cells grown in monolayers undergo a variety of gene expression and morphological changes. Furthermore, this form of cell culture is characterized by different proliferative behavior and altered metabolism. Therefore, more advanced cell culture models are desirable to bridge the gap between conventional in vitro models and studies in vivo. Multicellular spheroids grown from various human cancer cell lines were chosen for this study and characterized by means of immunocytochemistry and microelectrode measurements. The spheroids were shown do develop size dependent hypoxia (evident from Hif-1 expression) and necrotic cores. Live hypoxic spheroids were further characterized by microelectrode measure-ments of oxygen, pH and redox potential. The impact of different hypoxic and non-hypoxic cell culture models on the outcome of preclinical drug screening and (for a few compounds) the translation of results to an in vivo mouse model was investigated. Specifically, cytotoxic poten-cies of clinically approved, investigational and experimental drugs based on platinum (cisplatin, oxaliplatin, satraplatin, KP1537 and a few platinum(IV) compounds as well as their platinum(II) metabolite), gallium (KP46), ruthenium (KP1339) and lanthanum (KP772) were compared in hypoxic multicellular spheroids and non-hypoxic monolayer culture. Some of the compounds were additionally investigated for their anti-invasive properties in spheroid and monolayer based assays. Cytotoxicity of selected platinum(IV) prodrugs was further evaluated in hypoxic mono-layer culture, non-hypoxic spheroids and male SCID mice. The impact of compound penetration and uptake on the cytotoxicity in hypoxic spheroid models and xenografts were discussed in the context of lipophilicity and rate of reduction. This study underlines the superiority of three-dimensional spheroid culture over monolayer cul-tures, since growth in multicellular spheroids not only restores native cell phenotypes, but also mimics the microenvironment of solid tumors with regard to hypoxia, necrotic foci as well as acidosis and reductive milieu. Furthermore, we showed that use of multicellular tumor spheroids has a formidable impact on the outcome of a preclinical drug screenings, as most tested com-pounds showed altered cytotoxicity in spheroid models. While most tested compounds revealed decreased cytotoxicity in spheroids some bioreductive platinum(IV) prodrugs showed increased activity. Their activation translated into therapeutic efficacy in the SCID mice model. Further-more, we showed that increased cytotoxicity of platinum(IV) complexes can be linked to accu-mulation in the acidic necrotic core and hypoxic regions, which was shown for both multicellular spheroids and tumor xenografts. This work highlights the benefits of including spheroid based assays in preclinical drug screening, due to a higher predictive value for the in vivo situation and therefore refined drug screening outcome.

Schlagwörter in Englisch

Metal complex / multicellular spheroids / microelectrode measurements / immunocytochemistry / hypoxic spheroids / platinum(IV) prodrugs

Abstract in Deutsch

Ungeachtet neuer Entwicklungen auf dem Feld von Immunotherapie und zielgerichteter Krebs-therapie, spielen klassische chemotherapeutische Substanzen weiterhin eine entscheidende Rolle in der Krebsbehandlung. Die Einwicklung neuer Krebsmedikamente, sowohl klassischer als auch zielgerichteter Therapeutika, ist mit Schwierigkeiten verbunden, welche durch die zum Teil schlechte Übertragbarkeit präklinischer Forschungsergebnisse auf die klinische Situation verur-sacht werden. Einer der Hauptgründe hierfür ist einerseits die Komplexität der Tumore und der physiologischen Vorgänge und andererseits der stark vereinfachte Charakter von In-vitro-Modellen. Da Zellen, die in Monolayern kultiviert werden eine Fülle an genetischen und morpho-logischen Veränderungen aufweisen, sind die gängigen Monolayer-Zellkulturen Modelle mit limi-tierter Aussagekraft. Außerdem gehen mit dieser Form der Zellkultur Veränderungen in Zelltei-lungsverhalten und Stoffwechsel einher. Die Überbrückung der Differenzen zwischen In-vitro-Modellen und Experimenten in vivo verlangt nach vortgeschrittenen präklinischen Modellen. Für diese Arbeit wurden multizelluläre Sphäroide verschiedener humaner Krebszelllinien ausge-wählt und mittels Immunfluoreszenz-Mikroskopie und Mikroelektroden-Messungen charakteri-siert. Hierbei wurde gezeigt dass Sphäroide eine von der Größe des Sphäroids abhängige Hypo-xie (ersichtlich anhand der Hif-1 Expression) und Nekrose entwickeln. Weiters wurden die Sau-erstoff-, pH- und Redoxpotential- Gradienten in den lebenden Sphäroiden mithilfe von Mikro-elektroden ermittelt. Schließlich wurde der Einfluss von verschiedenen hypoxischen und nicht-hypoxischen Modellen auf das Ergebnis des präklinischen Subtanz-Screenings und (für einige Substanzen) die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ein murines Tumormodell in vivo untersucht. Im Einzelnen wurde die Zytotoxizität klinisch etablierter, in klinischer Prüfung befindlicher und experimenteller Wirkstoffe basierend auf Platin (Cisplatin, Oxaliplatin, Satraplatin, KP1537 und einige Platin(IV)-Verbindungen sowie deren Platin(II) Metabolit), Gallium (KP46), Ruthenium (KP1339) und Lanthan (KP772) in hypoxischen Sphäroid-Modellen und dem nicht hypoxischen Monolayer-Modell verglichen. Einige der Substanzen wurden zusätzlich auf ihre anti-invasive Wirkung im Sphäroid und im Monolayer-Modell untersucht. Die Zytotoxizität von ausgewählten Platin(IV)-Prodrugs wurde außerdem in hypoxischen Monolayer-Kulturen, dem nichthypoxi-schen Sphäroiden und der männlichen SCID-Maus untersucht. Der Einfluss des Eindringvermö-gens und der zellulären Aufnahme auf die Zytotoxizität in hypoxischen Sphäroiden und Xenot-ransplantaten wurde im Kontext von Lipophilie und des Redox-Verhaltens der Substanzen dis-kutiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit heben die Überlegenheit der dreidimensionalen Sphäroid-Kultur gegenüber der Monolayer-Kultur hervor, da die Kultur in Sphäroiden nicht nur einen natürliche-ren Zell-Phänotyp wiederherstellt, sondern auch den Aufbau eines Tumors hinsichtlich Hypoxie, nekrotischer Foci, Azidose und reduktiven Milieus imitiert. Außerdem wurde gezeigt, dass die Verwendung von Sphäroiden einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis der Substanz-Screenings hat, da die meisten untersuchten Substanzen eine veränderte Zytotoxizität in diesem Modell aufweisen. Während hierbei die meisten Substanzen eine niedrigere Zytotoxizität hatten, zeigten einige der bioreduktiven Platin(IV)-Prodrugs eine erhöhte Zytotoxizität im hypoxischen Sphäroid-Modell. Die hier gezeigte Aktivierung dieser Substanzen fand ihre Entsprechung in therapeutischer Aktivität in der SCID-Maus. Außerdem konnte die erhöhte Zytotoxizität von Platin(IV)-Komplexen, sowohl in multizellulären Sphäroiden als auch in Xenotransplantaten, in Zusammenhang mit einer Anreicherung in nekrotischen und hypoxischen Bereichen gebracht werden. Diese Arbeit weist eindringlich auf die Vorteile sphäroid-basierter Methoden hin, da deren Ver-wendung eine bessere Aussagekraft und Übertragbarkeit Screening-Ergebnisse ermöglicht.

Schlagwörter in Deutsch

Metallkomplex / multizelluläre Sphäroide / Immunfluoreszenz-Mikroskopie / Mikroelektroden-Messungen / hypoxisches Sphäroid-Modell / Platin(IV)-Prodrugs

Dokumentenart: Hochschulschrift (Dissertation)
AutorIn: Schreiber-Brynzak, Ekaterina
Titel: Novel in vitro models for studying aspects of the anticancer activity of metal compounds
Umfangsangabe: vii, 111 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)
Publikationsjahr: 2016
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Keppler, Bernhard K.
BeurteilerIn: Marian, Brigitte
2. BeurteilerIn: Ott, Ingo
Klassifikation: 35 Chemie > 35.49 Anorganische Chemie: Sonstiges
AC-Nummer: AC13043558
Dokumenten-ID: 41097
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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