The purpose of this work is to investigate the influence of possible patient movement and anatomy alteration on the quality of delivered prostate US based HDR-brachytherapy. The effect of patient movement and anatomy change (after the needle implantation and 3D image set acquisition) on catheter and organ dislocation and the consequences that this generated on the DVHs, conformity index and on radiobiological parameters. Materials and methods: This work is based on 3D image sets and treatment plans of 48 patients obtained right after the needle implantation (clinical plan is based on this 3D image set) and before and after the irradiation. In our institution the 3D-US based pre-planning, the transperineal implantation of needles using template and the intraoperative planning and irradiation is realized using the real-time dynamic planning system Oncentra Prostate. All pre-plans and all the inverse optimization of clinical plans were based on HIPO using the modulation restriction option. The patient body/OARs/catheters movement are generated from the clinical, pre- and post- irradiation plans and its influence on DVH-, COIN and radiobiological parameters of PTV and OARs are calculated and presented. Results: It is observed a slight decrease of treatment plan quality with increase of time between the clinical image set acquisition and the patient irradiation. Also, we show that the patient body movement/anatomy alteration and/or catheters dislocation results in decreased plan quality; change of values of the COIN, DVH- and radiobiological parameters. Conclusion: The measured mean shift of anatomy and needles (beams) is as low as 1.0mm that is lower by an order of magnitude to values known from external beam irradiation. For high modulated plans as those in HDR Brachytherapy such small shifts result in dosimetric changes which are in general lower than 5%. Our results demonstrate that quality assurance procedures have to be clinically implemented to guarantee anatomy and implant stability of the order of 1mm. This can only be realized without any manipulation of the implant and anatomy as done, for instance in the case of removing the US-probe before treatment delivery or moving the patient from one bed to another for the irradiation purposes / Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να διερευνήσει την επιδραση που έχει η πιθανή μετακίνηση του ασθενούς και η αλλαγή της ανατομίας στην ποιότητα της Βραχυθεραπείας. Η μετακίνηση του ασθενούς, οι αλλαγές της ανατομίας ( μετά την εμφύτευση των βελονών και την συλλογή των τρισδιάστατων 3D εικόνων), η μετακίνηση των καθετήρων και των οργάνων επιφέρουν αλλαγές που παρουσιάζονται μέσα από τα ιστογράμματα δόσης - όγκου (DVH), δείκτη συμμορφίας (conformity index) και των ραδιοβιολογικών παραμέτρων. Υλικά και Μέθοδοι: Η μελέτη αυτή βασίζεται στην συλλογή τρισδιάστατων εικόνων υπερήχων (3D set) και στους σχεδιασμούς θεραπείας (treatment plans) από 48 ασθενείς που συλλέχθηκαν σε τρείς φάσεις: μετά την εμφύτευση των καθετήρων (κλινικός σχεδιασμός θεραπείας (clinical plan) βασίζεται σε αυτή την συλλογή 3D εικόνων), πριν την ακτινοβόληση και μετά την ακτινοβόληση.Στην κλινική μας ο προσχεδιασμός της θεραπείας (pre-planing) που βασίζεται στο τρισδιάστατο υπερηχογράφημα (3D-US), η διαπερινεϊκή εμφύτευση των καθετήρων με την βοήθεια του οδηγού template, ο διεγχειρητικός σχεδιασμός της θεραπείας (intraoperative planning) και η ακτινοβόληση πραγματοποιούνται με την χρήση του Real-time dynamic planning system Oncentra Prostate. Όλα τα pre-plans και όλα τα inverse optimization clinical plans βασίζονται στο HIPO χρησιμοποιώντας την επιλογή του modulation restriction. Οι μετακινήσεις του σώματος του ασθενούς/ των ευαίσθητων σε κίνδυνο οργάνων (OARs)/ και των καθετήρων αναπαράγονται από τα clinical, pre και post- irradiation plans. Κατόπιν υπολογίζεται και παρουσιάζεται η επίδρασή τους στο DVH, COIN και στις ραδιοβιολογικές παραμέτρους του όγκου στόχου σχεδιασμού (PTV) και των (OARs). Αποτελέσματα: Παρατηρείται μια ελαφρά μείωση της ποιότητας του σχεδιασμού θεραπείας με την αύξηση του χρόνου μεταξύ του κλινικού σχεδιασμού και της ακτινοβόλησης του ασθενούς. Επίσης παρουσιάζουμε ότι η μετακίνηση του ασθενούς/ η αλλαγή στην ανατομία ή/ και η μετακίνηση των καθετήρων έχει ως αποτέλεσμα στην μείωση της ποιότητας του σχεδιασμού. Έχουμε αλλαγή στις αλλαγές στις τιμές του COIN, του DVH και των ραδιοβιολογικών παραμέτρων. Συμπέρασματα: Η μέση τιμή των μετρούμενων μετακινήσεων της ανατομίας και των βελονών είναι ιδιαίτερα μικρή περίπου 1.0mm σε σύγκριση με τις γνωστές τιμές από την εξωτερική ακτινοθεραπεία. Για τους υψηλής διαμόρφωσης σχεδιασμούς, όπως αυτοί της HDR βραχυθεραπείας, μικρές μετακινήσεις οδηγούν σε δοσιμετρικές αλλαγές γενικά μικρότερες από 5%. Τα αποτελέσματα μας παρουσιάζουν ότι λαμβάνοντας υπόψη τις διαδικασίες εξασφάλισης ποιότητας επιτυγχάνεται η ακινητοποίηση του εμφυτεύματος της τάξης του 1mm. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μόνο με ακινητοποίηση του εμφυτεύματος και της ανατομίας, για παράδειγμα στην περίπτωση όπου μετακινούμε την κεφαλή της συσκευής υπερήχων (US- probe) πριν την ακτινοβόληση ή μετακινώντας τον ασθενή από ένα κρεβάτι σε ένα άλλο για τις ανάγκες τις ακτινοβόλησης.

Τhe purpose of this study is to investigate and analyze the influence of the possible errors eventually occurring in a 3D-US based HDR Brachytherapy of prostate cancer on the quality of dose delivery. The influence of modulation restriction tool on the plan quality and sensitivity is also investigated. Materials: Twelve clinical implants for HDR Brachytherapy of prostate cancer have been selected out of the clinical routine. The range of the prostate volumes was 26-101 cm3. Due to the fact that the implanted needles are fixed on the template, the most probable error should be a systematic shift of the implanted catheters on the cranial-caudal direction caused by the movement of the patient relative to the template. The planning was done using HIPO which is implemented in the real time intraoperative planning system Oncentra Prostate (OcP). HIPO offers a unique modulation restriction option that limits the free modulation of dwell times. Firstly the reference plans, where no catheter shift has been simulated, the clinical with MR >0 and the theoretical with MR=0, for all 12 implants have been compared. Then for each of the 12 clinical implants, 10 systematic shifts of the implanted catheters in the range of [-5, +5] mm in step of 1mm were simulated. The influence of this systematic shift on DVH-, COIN, EI and radiobiological parameters of PTV and OARs is calculated and recorded. The analysis of the observed changes has been done firstly by addressing the quality of the implant. For this purpose the range of shift was estimated that the resulted 3D dose distributions keep fulfilling the clinical dosimetric protocol. Secondly, the focus was placed to the stability of the dose distribution. Here the range for the shift has been estimated which enables that the dosimetric, conformity and radiobiological parameters of the implant remain within ±5% or ±10% of the originally planned values. Results: The use of modulation restriction (MR>0) results in plans with more conformal dose distribution (COIN, EI) but slightly lower D90 and V100 , gEUD, EUD2,v and EUD2,s values. The quality analysis demonstrate that for the DVH based parameters values of prostate a maximal shift of ±1.0 mm can be tolerated, although in case of using the modulation restriction the sensitivity from the influence of the systematic shift is greater. Similar were the results for the DVH parameters for urethra, rectum and bladder. For the stability analysis in order to keep the dosimetric parameters within ±5% of the originally planned value for the prostate and OARs, a maximum shift of around ±0.5 mm can be tolerated and for the ±10% criterion this is -1.0/+0.5 mm. The same behavior applies for the radiobiological parameters. The analysis based on COIN considering only the target and also the OARs have shown a maximum shift range of ±1.5 mm. For the EI analysis this range is ±0.0 mm. For ±10% criterion this is ±2.5 mm and ±0.5 mm respectively. Conclusion: Our study has demonstrated that high modulated, high conformal Brachytherapy dose distributions for prostate HDR implants are sensitive to systematic catheter shift. The consequence of shift changes is not clear. We can generally speak about a required geometrical stability of the implant as high as ±1.0mm. Modulation restriction without improving this reduces significantly the total dwell time keeping the plan quality and increasing conformity (COIN, EI). / Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι να ερευνήσουμε και να αναλύσουμε την επιρροή που μπορεί να έχουν τα πιθανά λάθη που συμβαίνουν στην Υψηλού Ρυθμού Δόσης (HDR) Βραχυθεραπεία του καρκίνου του προστάτη, η οποία βασίζεται σε τρισδιάστατες εικόνες (3D) υπερήχου, στη ποιότητα εναπόθεσης δόσης. Επίσης διερευνάται η επίδραση του Modulation Restriction (MR) στην ποιότητα και ευαισθησία του πλάνου θεραπείας. Υλικά και Μέθοδοι: Επιλέχθηκαν 12 κλινικά εμφυτεύματα για την HDR Βραχυθεραπεία του καρκίνου του προστάτη από την κλινική ρουτίνα μας. Το εύρος του όγκου του προστάτη είναι 26-101 cm3. Επειδή οι βελόνες που εμφυτεύθηκαν στον προστάτη είναι σταθεροποιημένες πάνω στο template, το πιο πιθανό λάθος που μπορεί να συμβεί είναι η συστηματική μετατόπιση των εμφυτευμένων καθετήρων σε cranial – caudal (κρανιακή – ουραία ) διεύθυνση η οποία έχει προκληθεί από την κίνηση του ασθενούς σε σχέση με το template. Το πλάνο θεραπείας έγινε χρησιμοποιώντας την επιλογή HIPO του προγράμματος real time intraoperative planning system Oncentra Prostate (OcP). Το HIPO προσφέρει την δυνατότητα επιλογής του Modulation Restriction (MR) το οποίο περιορίζει την ελεύθερη διαμόρφωση των χρόνων παραμονής της πηγής στους καθετήρες. Στα αρχικά μας πλάνα θεραπείας (reference plans) δεν έχει γίνει προσομοίωση μετακίνησης του καθετήρα. Συγκρίνουμε τα κλινικά μας πλάνα (MR>0) και τα θεωρητικά μας (MR=0) και για τα 12 εμφυτεύματα. Στην συνέχεια για κάθε ένα από τα 12 εμφυτεύματα γίνεται η προσομοίωση 10 συστηματικών μετακινήσεων των εμφυτευμένων καθετήρων με εύρος [-5,+5]mm και με βήμα 1mm. Υπολογίζεται και καταγράφεται η επίδραση της συστηματικής μετακίνησης στα ιστογράμματα δόσης - όγκου (DVH), δείκτη συμμορφίας (conformity index- COIN), External Index (EI) και στις ραδιοβιολογικές παραμέτρους για τον όγκο στόχου (PTV) και των ευαίσθητων σε κίνδυνο οργάνων (OARs). Αρχικά η ανάλυση των παρατηρούμενων αλλαγών έχει γίνει σύμφωνα με την ποιότητα του εμφυτεύματος (quality analysis). Για αυτό τον λόγο το εύρος της μετακίνησης έχει υπολογιστεί έτσι ώστε τα αποτελέσματα από τις 3D κατανομές δόσεις να πληρούν το κλινικό δοσιμετρικό μας πρωτόκολλο. Στην συνέχεια εστιάσαμε στην σταθερότητα της κατανομής της δόσης (stability analysis). Σε αυτή την περίπτωση το εύρος μετακίνησης των καθετήρων έχει υπολογιστεί έτσι ώστε οι τιμές των DVH, COIN και ραδιοβιολογικών παραμέτρων των εμφυτευμάτων να παραμένουν μέσα στο ±5% ή στο ±10% των αρχικών πλάνων (reference). Αποτελέσματα: Χρησιμοποιώντας την επιλογή του Modulation Restriction (MR>0) προκύπτουν πλάνα με πιο ομοιόμορφη κατανομή της δόσης (COIN, EI) αλλά με ελαφρώς μικρότερες τιμές των D90, V100, gEUD, EUD2,v και EUD2,s. H “quality analysis” έδειξε ότι για τις δοσιμετρικές παραμέτρους του προστάτη η μέγιστη μετατόπιση που μπορούμε να έχουμε είναι ±1mm. Χρησιμοποιώντας την επιλογή του MR η μετατόπιση αυτή γίνεται ακόμα πιο ευαίσθητη. Παρόμοια ήταν τα αποτελέσματα μας για τις δοσιμετρικές παραμέτρους των OARs (ουρήθρα, κύστη και ορθό). Σύμφωνα με την “stability analysis” η μέγιστη μετατόπιση που μας επιτρέπεται έτσι ώστε να διατηρήσουμε τις τιμές των δοσιμετρικών παραμέτρων του προστάτη και των OARs μέσα στο ±5% της τιμής του αρχικού μας πλάνου είναι ±0.5mm ενώ για το ±10% το όριο αυτό είναι -1.0/+0.5 mm. Την ίδια συμπεριφορά παρατηρούμε και για τις ραδιοβιολογικές παραμέτρους. Η ανάλυση που βασίζεται στο COIN, συμπεριλαμβάνοντας αρχικά μόνο τον στόχο μας και στην συνέχεια και τα OARs έδειξε ότι η μέγιστη μετακίνηση μας έχει εύρος ±1.5mm . Για την ανάλυση που βασίζεται στο EI αυτό το εύρος είναι ±0.0 mm . Για το ±10% τα όρια είναι ±2.5mm και 0.5mm αντίστοιχα. Συμπεράσματα: Η μελέτη μας έδειξε ότι οι υψηλά διαμορφωμένες και οι υψηλά ομοιόμορφες κατανομές δόσης των εμφυτευμάτων της HDR βραχυθεραπείας του προστάτη είναι ευαίσθητες στις συστηματικές μετακινήσεις των καθετήρων. Οι συνέπειες από τις αλλαγές αυτών των μετακινήσεων δεν είναι ξεκάθαρες. Μπορούμε γενικά να μιλήσουμε για μια απαιτούμενη γεωμετρική σταθερότητα του εμφυτεύματος τόσο υψηλή όσο ±1.0mm. Η δυνατότητα επιλογής του MR χωρίς να βελτιώνει αυτό, μειώνει σημαντικά τον ολικό χρόνο παραμονής της πηγής στους καθετήρες διατηρώντας την ποιότητα του πλάνου θεραπείας και αυξάνοντας την ομοιομορφία στην κατανομή της δόσης (COIN, EI).

Recent advances in radiation therapy have provided the possibility of combining different modalities, energies and particles in different parts of the treatment. However, there are very limited data on the clinical effectiveness of these modalities. The purpose of this study was the determination of the parameters D50 and γ for the prostate adenocarcinoma, the rectum and the penile bulb using different radiobiological models, when proton and photon beams are combined. / Πρόσφατες εξελίξεις στην ακτινοθεραπεία παρέχουν την δυνατότητα συνδυασμού διαφόρων μονάδων, ενεργειών και σωματιδίων σε διαφορετικά τμήματα της θεραπείας. Ωστόσο, υπάρχουν πολύ περιορισμένα δεδομένα που αφορούν στην κλινική αποτελεσματικότητα αυτών των συνδυασμών. Ο σκοπός αυτής της εργασίας ήταν ο προσδιορισμός των παραμέτρων D50 και γ για το αδενοκαρκίνωμα του προστάτη το ορθό καθώς και τον βολβό του πέους με τη χρήση διαφόρων ραδιοβιολογικών μοντέλων, στην περίπτωση της συνδυασμένης χρήσης δέσμεων φωτονίων και πρωτονίων.

Prostate cancer is a significant public health concern due to its high incidence and mortality, and that no consensus exists regarding the best form of treatment for any stage of the disease. Prostate cancer mortality can be reduced by the early prostate cancer detection. The earlier the detection the more effective the treatment would be. Prostate cancer screening or early detection has been accomplished applying the digital rectal examination (DRE) , the measurement of serum the prostate specific antigen (PSA), transrectal ultrasonography and combinations of these tests. MS based proteomics and particularly MS-SEDLI-TOF technology have assisted in discovering prostate cancer biomarkers. On the other hand, a major cause of mortality for women is the ovarian cancer. Malignant ovarian tumors are heterogeneous in their biological and clinical behaviour and a greater understanding of how they develop and progress is a prerequisite to successful early detection, screening programs, and treatment modalities. Accordingly, the aims of the present thesis are: (i) To develop a reliable pattern recognition system for the discrimination of healthy from patients with prostate cancer as well as controls from patients with ovarian cancer ,(ii) To develop efficient algorithms in order to handle the large number of features that are extracted from proteomic spectra, (iii) To develop a methodology to facilitate the investigation of the low intensity peaks which are the peaks in which biologists are mostly interested in, (iv) To propose potential biomarkers for discriminating healthy from prostate cancer cases and healthy from ovarian cancer cases . To cope with the above issues and in search of efficient methods for handling proteomic spectra a novel multi classifier pattern recognition methodology has been designed, developed and implemented, for the analysis of prostate and ovarian proteomic data. Furthermore, a novel method for splitting and grouping peaks according to their intensities has been developed to be consistent with biologist interest in investigating low intensity peaks. / Τα δεδομένα πρωτεομικής τα οποία εξάγονται από φασματογράφο μάζας έχουν ως αποτέλεσμα την δημιουργία ενός μονοδιάστατου σήματος το οποίο στον οριζόντιο άξονα έχει τιμές μάζας/φορτίο και στον κατακόρυφο άξονα έχει τις αντίστοιχες τιμές έντασης. Οι τιμές στον οριζόντιο άξονα (μάζα/φορτίο) οι οποίες αντιπροσωπεύουν πεπτίδια ή πρωτεΐνες έχουν ένα εύρος από 0 έως δεκάδες χιλιάδες. Επομένως τα πρωτεομικά φάσματα θεωρούνται ιδιαίτερα πολύπλοκα. Η διαχείριση της πληροφορίας των πρωτεομικών φασμάτων καθώς και η εξαγωγή διαγνωστικών συμπερασμάτων είναι ένα πεδίο ανοιχτό προς έρευνα. Ο καρκίνος του προστάτη αποτελεί την δεύτερη πιο σημαντική αιτία θανάτου στην Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής και τον Καναδά. Η θνησιμότητα που οφείλεται στον καρκίνο του προστάτη μπορεί να μειωθεί από την έγκαιρη πρόγνωσή του. Όσο ποιο έγκαιρη είναι η πρόγνωσή του τόσο ποιο αποτελεσματική είναι η θεραπεία του. Ο προστάτης είναι ένας αδένας που βρίσκεται στο εσωτερικό του σώματος, κάτω από την ουροδόχο κύστη του άνδρα και περιβάλλει την ουρήθρα. Τον αδένα αυτό τον έχει ένας άνδρας ήδη από την στιγμή που γεννιέται. Με την λειτουργία του συμβάλει, στον έλεγχο της ούρησης, το οποίο το πετυχαίνει λόγω της ανατομικής του θέσης, στον εμπλουτισμό του σπέρματος με χρήσιμα και απαραίτητα συστατικά και στη λειτουργία της εκσπερμάτισης. Ο καρκίνος του προστάτη είναι η ανάπτυξη καρκινικών κυττάρων στον αδένα αυτόν. Τα καρκινικά κύτταρα πολλαπλασιάζονται πολύ πιο γρήγορα από τα φυσιολογικά κύτταρα, και έτσι, η ολοένα αυξανόμενη συγκέντρωσή τους δημιουργεί όγκους. Επιπλέον, τα καρκινικά κύτταρα έχουν την δυνατότητα να μεταφέρονται σε άλλα σημεία του σώματος (κάνουν μετάσταση) και να καταστρέφουν τα υγιή κύτταρα. Η πρωτεομική με την εφαρμογή της φασματογραφίας μάζας έχει βοηθήσει σημαντικά στην πρόγνωση του καρκίνου του προστάτη και στην ανακάλυψη γνωστών βιοδεικτών του καρκίνου του προστάτη όπως είναι το ειδικό αντιγόνο του προστάτη (PSA), η προστατική όξινη φωσφατάση (PAP), το ειδικό πεπτίδιο του προστάτη (PSP) και το ειδικό αντιγόνο μεμβράνης του προστάτη (PSMA). Ο καρκίνος των ωοθηκών είναι μια συνήθεις γυναικολογική κακοήθεια με ποικίλα ιστολογικά χαρακτηριστικά. Είναι η κύρια αιτία θανάτου από καρκίνου ανάμεσα σε όλες τις γυναικολογικές κακοήθειες, καθώς και ο πέμπτος πιο συχνός τύπος καρκίνου μεταξύ γυναικών του δυτικού κόσμου. Η πλειοψηφία των κακοηθών όγκων των ωοθηκών εμφανίζεται σε γυναίκες ηλικίας άνω των 65 χρόνων, ενώ οι καλοήθεις όγκοι είναι συνηθέστεροι σε νεότερης ηλικίας γυναίκες μεταξύ 25 και 45 χρόνων. Λόγω της πολυπαραγοντικής φύσης του καρκίνου, είναι πολύ πιθανό, μια ομάδα βιοδεικτών να είναι πιο ενδεικτικοί για την πρόβλεψη της βιολογικής συμπεριφοράς διαφόρων όγκων, από την χρήση ενός μόνο βιοδείκτη. Το CA-125 είναι ένας δείκτης ο οποίος χρησιμοποιείται για την διάγνωσης και συγκεκριμένα στην πρόγνωση του καρκίνου των ωοθηκών. Η επιβεβαίωση του και αξιοπιστία του βιοδείκτη CA-125 οδήγησε στην ευρέως χρήση του, ως βιοδείκτης για τον καρκίνο των ωοθηκών, καθώς και στην κλινική διάγνωση της ανταπόκρισης του ασθενούς κατά την θεραπεία του καρκίνου. Πρόσφατες προσπάθειες επικεντρώθηκαν στην βελτίωση της διαγνωστικής ακρίβειας του CA-125, είτε χρησιμοποιώντας μόνο τον συγκεκριμένο βιοδείκτη (CA-125), είτε χρησιμοποιώντας τον με νέους βιοδείκτες που έχουν συσχετιστεί με τον καρκίνο των ωοθηκών. Ο βιοδείκτης CA-125 βρίσκεται στο μητρικό γάλα και στο αμνιακό υγρό στις υγιείς γυναίκες. Παρόλα αυτά υπάρχει επίσης σε γυναίκες με γυναικολογικά προβλήματα όπως μητρικό λειομύωμα και ενδομητρίωση μειώνοντας έτσι την ειδικότητα του βιοδείκτη. Επιπροσθέτως άλλοι βιοδείκτες οι οποίοι έχουν βρεθεί είναι οι prostasin, OVX1, CA-15.3, CA-72.4, και inhibin. Έτσι οι στόχοι της παρούσας διατριβής είναι: (i) ο κατάλληλος συνδυασμός των βημάτων, προεπεξεργασίας, εξαγωγής χαρακτηριστικών, επιλογής χαρακτηριστικών και επιλογής ταξινομητή ώστε η διάγνωση να είναι ακριβέστερη από τις υπάρχουσες μεθόδους. (ii) να προταθούν βιοδείκτες (biomarkers) και συγκεκριμένα τιμές φάσματος (μάζας/φορτίου) οι οποίες ενδεχομένως να σχετίζονται με τις ασθένειες προς μελέτη (Καρκίνου του προστάτη και των ωοθηκών). Για την εκπλήρωση των ανωτέρω στόχων σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες με στόχο την ακριβή διάκριση των υγειών από ασθενείς με καρκίνο του προστάτη και ωοθηκών. Προτείνονται τιμές μάζας/φορτίο οι οποίες ενδεχομένως να αποτελέσουν χρήσιμους βιοδείκτες για τον καρκίνο του προστάτη και για τον καρκίνο των ωοθηκών. Επίσης υλοποιήθηκε μεθοδολογία για να μπορέσουμε να ερευνήσουμε την διαγνωστική αξία των κορυφών, των πρωτεομικών φασμάτων, με διάφορες τιμές έντασης και κυρίως των χαμηλών, οι οποίες θεωρούνται ως πλούσιες σε πληροφορία από τους βιολόγους.

Ιστορικά, τα ευρήματα των C.B. Huggins (Huggins and Hodges, 1941; Huggins, 1963) και A.V. Schally (Schally et al., 1984) αποτέλεσαν την απαρχή μιας ερευνητικής πορείας με αφετηρία το πεδίο της νευροενδοκρινολογίας και προορισμό εκείνα της γυναικολογίας και της ογκολογίας. Η γνώση αναφορικά με τη φυσιολογία της ενδογενούς ορμόνης (LHRH) και το ρόλο της στην παθοβιοχημεία των ασθενειών (ενδοκρινικών διαταραχών και ορμονο – εξαρτώμενων καρκίνων) και υπό το πρίσμα της πρωτεύουσας ή υποστηρικτικής θεραπευτικής προσέγγισης, κατέστησε τον ιατρικό ευνουχισμό μέσω της δράσης στον υποδοχέα της LHRH – Ι στρατηγική επιλογής για την καταπολέμηση των ενδοκρινικών διαταραχών και των ορμονο – εξαρτώμενων καρκίνων (καρκίνος του μαστού, καρκίνος των ωοθηκών, καρκίνος του ενδομητρίου, καρκίνος του προστάτη). Μια πληθώρα αναλόγων της LHRH έδωσε και δίνει το παρόν σε προκλινικό και κλινικό επίπεδο, με τη συστηματική έρευνα, σύνθεση και ανάπτυξη να αποδίδουν μόρια – αγωνιστές ή – ανταγωνιστές του υποδοχέα της LHRH – Ι, πεπτιδικής (γραμμική ή κυκλική δομή, stapled peptides) ή μη φύσης ως μοναδιαίες οντότητες ή σε σύζευξη με ένα ευρύ φάσμα κυτταροτοξικών μορίων (Αnderes et al., 2003; Keramida et al., 2006; Persson et al., 2009; Kritzer, 2010; Mezo and Manea, 2010). Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στην in vitro και in vivo αξιολόγηση και φαρμακοκινητική μελέτη καινοτόμων αναλόγων της LHRH – κυκλικής και γραμμικής δομής – στη βάση του ορθολογικού μοριακού σχεδιασμού και αποσκοπώντας σε εναλλακτικές προσεγγίσεις για την καταπολέμηση του καρκίνου του προστάτη (και έτερων ενδοκρινικών διαταραχών), συγκριτικά με το leuprolide (εμπορικά διαθέσιμος αγωνιστής του υποδοχέα της LHRH – Ι). Η παρούσα διδακτορική διατριβή θέτει ως υπόθεση εργασίας πως καινοτόμα ανάλογα της LHRH των ήδη υπάρχοντων στην κλινική με βελτιωμένο φαρμακοκινητικό προφίλ δύναται να αποτελέσουν τη βάση βέλτιστων εναλλακτικών θεραπευτικών προσεγγίσεων με ενισχυμένη αποτελεσματικότητα και μειωμένη τοξικότητα, δρώντας in situ ή/ και προσφέροντας νέες δυνατότητες χορήγησης, εστιάζοντας στην οδό ή/ και τη μείωση της συχνότητας αυτής. Η εν λόγω ερευνητική προσέγγιση εστιάζει στον καρκίνο του προστάτη, μια νόσο που χρήζει εναλλακτικής θεραπευτικής στρατηγικής, δεδομένης της χαμηλής αποτελεσματικότητας αυτής (η νόσος προοδευτικά γίνεται ανεξάρτητη των ορμονών και συνεπώς, μεταστατική), αλλά και της χαμηλής ποιότητας ζωής των ασθενών στη βάση του «συμβιβασμού» με τις οδούς χορήγησης που εφαρμόζονται σήμερα στην κλινική (depot formulations). Επιπρόσθετα και κατά την εκπόνηση της εν λόγω ερευνητικής προσέγγισης αναπτύχθηκαν, επικυρώθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν καινοτόμες μεθοδολογίες υγρής χρωματογραφίας – φασματομετρίας μάζας (LC – MS/ MS) σε βιολογικά υγρά – ηπατικά μικροσώματα (μύα, επίμυα, ανθρώπου), νεφρικές μεμβράνες μύα, πλάσμα και όρχεις μύα – και έτερα υποστρώματα (κυτταρικά εκχυλίσματα, υδάτινο περιβάλλον ιχθύων Danio rerio), οι οποίες, εν συνεχεία, συζεύχθηκαν με in vitro ή/ και in vivo βιοδοκιμασίες. Τα πειραματικά ευρήματα συγκρίθηκαν με εκείνα των εμπορικά διαθέσιμων αναλόγων της LHRH, με αγωνιστική (leuprolide) ή ανταγωνιστική δράση (antide, cetrorelix). Πιο αναλυτικά και λαμβάνοντας υπόψην το «νοσηρό» φαρμακοκινητικό προφίλ των αναλόγων της LHRH που χρησιμοποιούνται σήμερα στην κλινική, διερευνήθηκε η in vitro (ηπατικά μικροσώματα μύα, επίμυα και ανθρώπου – νεφρικές μεμβράνες μύα) και in vivo (πλάσμα μύα) πεπτιδική σταθερότητα των υπό μελέτη αναλόγων, συγκριτικά με την LHRH και εμπορικά διαθέσιμα ανάλογα αυτής (antide, leuprolide). Τα ευρήματα επέτρεψαν την αξιολόγηση και ταξινόμηση των αναλόγων του ενδιαφέροντος βάσει πεπτιδικής σταθερότητας (δοκιμασία σάρωσης). Ταυτόχρονα, προσδιορίστηκε το μεταβολικό τους προφίλ, αποκαλύπτοντας τους ευάλωτους πεπτιδικούς δεσμούς, καθώς και τις εμπλεκόμενες ενδοπεπτιδάσες (NEP – EC 3.4.24.11, ACE – EC 3.4.15.1). Τα ευρήματα επιβεβαιώθηκαν περαιτέρω με τη χρήση ειδικών ενζυμικών αναστολέων (ενδεικτικά: DL – Thiorphan). Ο νεφρός βρέθηκε να είναι το πρωτεύον μεταβολικό όργανο. Η ανίχνευση και η ημι – ποσοτικοποίηση των μεταβολικών προϊόντων οδήγησε στον προσδιορισμό σχέσεων δομής – δραστικότητας, αποτελώντας τη βάση του ορθολογικού σχεδιασμού καινοτόμων μορίων. Οι απορρέουσες σχέσεις δομής –δραστικότητας υποστηρίζουν πως (i) η μεθυλίωση της υδροξυλομάδας της Tyr5, (ii) η αντικατάσταση της Pro9 από Aze και (iii) η κυκλοποίηση ενισχύουν την πεπτιδική σταθερότητα των αναλόγων του ενδιαφέροντος. Στα πλαίσια μελετών φαρμακοδυναμικής, αναπτύχθηκε καινοτόμος μεθοδολογία LC – MS/ MS για τον ταυτόχρονο ποσοτικό προσδιορισμό της τεστοστερόνης και των υπό μελέτη αναλόγων σε πλάσμα (0, 05 – 100 ng/mL) και όρχεις μύα (2, 0 – 2000 ng/g). Η τεστοστερόνη θεσπίστηκε βιοδείκτης αποτελεσματικότητας (efficacy) και τοξικότητας (toxicity) στη βάση του καίριου ρόλου που διαδραματίζει το εν λόγω στεροειδές στη φυσιολογία του άξονα υποθάλαμος – υπόφυση – γονάδες και την παθοβιοχημεία των ενδοκρινικών διαταραχών και του ορμονο – εξαρτώμενου καρκίνου του προστάτη. Η φαρμακολογική απόκριση (απελευθέρωση τεστοστερόνης) βρέθηκε πως είναι ειδική και λαμβάνει χώρα μέσω του υποδοχέα της LHRH – Ι. Πιο σημαντικά, επετεύχθη ιατρικός ευνουχισμός, βάσει ιστοπαθολογικών ευρημάτων και προσδιορισμού της τεστοστερόνης (πλάσμα και όρχεις μύα), κατόπιν επαναλαμβανόμενης ενδοπεριτοναϊκής χορήγησης του επιλεγμένου καινοτόμου γραμμικού αναλόγου της LHRH, linearGnRH1. Το ίδιο ανάλογο βρέθηκε να έχει κυτταροστατική δράση σε πειράματα κυτταρικού πολλαπλασιασμού (κύτταρα LNCaP και PC3). Παράλληλα και υπό το πρίσμα του ρόλου της LHRH στην παθοβιοχημεία έτερων ορμονο – εξαρτώμενων καρκίνων (καρκίνος του μαστού, καρκίνος των ωοθηκών, καρκίνος του ενδομητρίου), αναπτύχθηκε, επικυρώθηκε και βελτιστοποιήθηκε καινοτόμος μεθοδολογία LC – MS/ MS για τον ποσοτικό προσδιορισμό της 17β – οιστραδιόλης σε βιολογικά υγρά. Τέλος, αναπτύχθηκε καινοτόμος μεθοδολογία LC – MS/MS για τον ποσοτικό προσδιορισμό πεπτιδίων του ενδιαφέροντος στο υδάτινο περιβάλλον των ιχθύων του είδους Danio rerio. Το καινοτόμο γραμμικό ανάλογο της LHRH, linearGnRH1, δεδομένου του φαρμακοκινητικού/ φαρμακοδυναμικού του προφίλ, δρα υποστηρικτικά ως προς την υπόθεση της παρούσας διδακτορικής διατριβής, σύμφωνα με την οποία καινοτόμα ανάλογα των ήδη υπάρχοντων στην κλινική με βελτιωμένο φαρμακοκινητικό προφίλ δύναται να αποτελέσουν τη βάση βέλτιστων εναλλακτικών θεραπευτικών προσεγγίσεων με ενισχυμένη αποτελεσματικότητα και μειωμένη τοξικότητα, δρώντας in situ ή/ και προσφέροντας νέες δυνατότητες χορήγησης, εστιάζοντας στην οδό ή/ και τη μείωση της συχνότητας αυτής. Το linearGnRH1 δύναται να αποτελέσει τη βάση για τον ορθολογικό σχεδιασμό μορίων (stapled peptides, μιμητές), αποσκοπώντας σε εναλλακτικές θεραπευτικές στρατηγικές για την καταπολέμηση του ορμονο – εξαρτώμενου καρκίνου ή/ και των ενδοκρινικών διαταραχών. Πέραν του linearGnRH1, ας σημειωθεί πως κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής συγκεκριμένα καινοτόμα κυκλικά ανάλογα της LHRH (cyclicGnRH1, cyclicGnRH2, cyclicGnRHDL1, cyclicGnRHDL2) εμφάνισαν ένα διακριτό φαρμακοκινητικό προφίλ. Το φαρμακοδυναμικό προφίλ των εν λόγω κυκλικών πεπτιδίων απαιτείται να διερευνηθεί περαιτέρω με την εφαρμογή των καινοτόμων μεθοδολογιών LC – MS/MS που αναπτύχθηκαν, επικυρώθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Συνολικά, η καινοτομία της εν λόγω ερευνητικής προσέγγισης έγκειται (i) στην ανάπτυξη, επικύρωση και βελτιστοποίηση ενός πλήθους μεθοδολογιών LC – MS/MS σε σύζευξη με in vitro και in vivo βιοδοκιμασίες, οι οποίες και αποτελούν ένα διακριτό αναλυτικό εργαλείο και (ii) στο προκλινικό φαρμακολογικό μοντέλο που αναπτύχθηκε με την επιλογή του μύα ως ζωικό πρότυπο. Κοινή συνισταμένη, η εν τω βάθει αξιολόγηση της φαρμακοκινητικής/ φαρμακοδυναμικής των πεπτιδίων του ενδιαφέροντος με το ερευνητικό βλέμμα στα πεπτιδικά φάρμακα.. stapled peptides.. μιμητές.. / The highly influential findings of C. B. Huggins (Huggins, 1963) and A. V. Schally (Schally et al., 1984) brought a new era in the research fields of neuroendocrinology, gynecology and oncology. The knowledge acquired regarding the physiology of LHRH and its role in the pathobiochemistry of the disease resulted in the consideration of medical castration via the LHRH receptor as a well established strategy for the treatment of endocrine disorders (e.g. precocious puberty) and hormone – dependent cancers (breast cancer, endometrial cancer, prostate cancer). Numerous LHRH analogues have been synthesized and evaluated both in the clinic and preclinical level. Overall, systematic work has resulted in the synthesis of LHRH receptor agonists and antagonists, either peptides (linear, cyclic, stapled peptides) or small organic molecules as entities or combined with various cytotoxic molecules (Αnderes et al., 2003; Keramida et al., 2006; Persson et al., 2009; Kritzer, 2010; Mezo and Manea, 2010). Although extensive research has been carried out in the field of hormonal therapy, poor pharmacokinetic properties still characterize LHRH peptide analogues. Poor stability of LHRH analogues compromises efficacy, while the need for their subcutaneous administration (depot formulations) aggravates the quality of life for cancer patients. Nowadays, LHRH analogues in the clinic most likely achieve the desired pharmacologic effects by action primarily on the pituitary and to a much lesser extent by direct antiproliferative effects on tumor cells. Herein, we hypothesize that stable analogues of such super – agonists would be advantageous, either by allowing a reduction in dosing frequency or by allowing the use of analogues that act directly on the tumor, with possible additive effects and subsequent enhancements in efficacy. In this context, the pharmacokinetic/ pharmacodynamic profiles of novel LHRH analogues were determined both in vitro and in vivo. Similarly, commercially available LHRH analogues (leuprolide, antide, cetrorelix) served as positive controls. Novel LC – MS/MS based approaches (LC – MS/ MS methodologies coupled to in vitro and in vivo bioassays) were developed, validated and optimized for the evaluation of the peptide analogues in question (linear or cyclic) in various biological fluids and matrices; (i) mouse, rat and human liver microsomes, (ii) mouse kidney membrane preparations, (iii) mouse plasma and tissue (testis), (iv) egg – water (Danio rerio embryos environment). Furthermore, a novel LC – MS/MS based approach was developed, validated and optimized for the simultaneous quantification of testosterone and peptides in question, upon the intraperitoneal administration of peptide analogues in mice. Testosterone served as an efficacy and toxicity biomarker. Peptide metabolism was thoroughly studied by an LC – MS/MS based approach coupled to an in vitro bioassay (mouse kidney membrane preparations), allowing (i) structural elucidation and semi – quantitation of metabolites (and peptides) as a function of time, (ii) determination of the susceptible to proteolysis peptide – bonds, (iii) structure – activity relationships (SARs) and (iv) peptide ranking (screening assay). Taking into account the role of LHRH in gynecology and hormone – dependent cancers of breast, endometrium and ovary, an LC – MS/MS based approach was developed for the quantification of 17β – oestradiol (efficacy and toxicity biomarker) in mouse plasma upon the intraperitoneal administration of peptide analogues in mice. A novel LC – MS/MS based approach was also developed for the quantification of peptides of interest in the aquatic environment of Danio rerio. Employing the aforementioned analytical tools, peptide stability against proteolysis was evaluated both in vitro (mouse kidney membrane preparations) and in vivo (mouse plasma). LHRH and commercially available analogues served as positive controls. The SARs derived suggested that enhanced stability was achieved by (i) methylation on the hydroxyl group of Tyr5, (ii) replacement of Pro9 by Aze and (iii) cyclisation. Hence, new promising chemical entities could be synthesized and developed on the basis of rational drug design. Metabolic profiles were also determined revealing the susceptible to proteolysis peptide bonds. Susceptible peptide bonds and endopeptidases involved were further confirmed in the presence of specific endopeptidase inhibitors. A facile preclinical mouse model was developed in the context of our objectives. Intraperitoneal administration was selected, since (i) it is a mix – mode type of administration with elements of rapid absorption and (ii) oral administration was not practical due to the low bioavailability of the peptides that were tested. The LC – MS/MS based quantification of the selected bioactive peptides and their corresponding metabolites as well as the selective monitoring of biomarkers (e.g. testosterone) in response to drug dose, in plasma and testes, combined with the appropriate preclinical mouse model, represents a distinctive approach. The mouse model described in this paper is particularly valuable, since (i) the human LHRH receptor is homologous to the mouse receptor (Millar, 2004), (ii) information on in vitro and in vivo stability can be obtained with a relatively small amount of peptide (1 – 2 mg), (iii) information on the LHRH receptor agonism (receptor specific in vivo modulation) can be obtained by using testosterone as a marker, (iv) it allows the determination of the dosing regimen required for efficacy based on action on the pituitary, (v) it can become the basis of follow up experiments on genetically modified mouse animal models or other tumour xenografted mouse models (Sharpless and Depinho, 2006; Morgan et al., 2008). The robust sensitive methodology that was developed for the quantification of testosterone in mouse plasma (0.05 – 100 ng/mL) or determination of testosterone in testes (2 – 2000 ng/g) provides an excellent handle on compound efficacy assessment. Testosterone as an efficacy and toxicity biomarker was found to be specific upon peptide binding to the LHRH receptor. Medical castration was achieved upon the repeated dosing of a selected novel linear analogue (linearGnRH1). Measurements in plasma were further supported by statistical significant testosterone values in testis and histopathological findings (atrophy). Moreover the testis weights of the treated animals were significantly lower in comparison to the control group (atrophy induced by dosing), thus making the differences in testosterone testis concentration between control and peptide treated animals even more pronounced. Although the binding affinity of linearGnRH1 on the LHRH receptor was not as high as the binding affinity of leuprolide (~ 15 nM versus <1 nM), the in vivo efficacy between the two analogues was similar (at the tested dose), suggesting that the enhanced stability or bioavailability of linearGnRH1, compensates for binding affinity differences. LinearGnRH1 was also found to be anti – proliferative upon dosing in LNCaP cells (as potent as the superagonist leuprolide). It is possible that linearGnRH1 can play a significant role for the treatment of hormone – dependent cancers, by acting not only at the pituitary level (thus, suppressing the pituitary – testicular axis), but also by exerting an antitumor activity directly on cancer cells, as has been previously shown for other LHRH agonists (Maudsley et al., 2004; Marelli et al., 2006). Except for linearGnRH1, selected cyclic analogues (cyclicGnRH1, cyclicGnRH2, cyclicGnRHDL1, cyclicGnRHDL2) exhibited a distinct pharmacokinetic profile. Their pharmacodynamic profiles should be evaluated further employing the novel LC – MS/MS based approaches developed and validated in this study. Overall, the novelty of the approach described herein consists of (i) the LC – MS/MS methodologies coupled with in vitro and in vivo bioassays developed, validated and employed that provide a distinct analytical tool and (ii) the facile preclinical pharmacological mouse model developed and employed. The approach aims to the pharmacokinetic/pharmacodynamic evaluation of the peptides of interest towards a new generation of peptide drugs.. stapled peptides.. mimetics. Considering the pharmacokinetic/ pharmacodynamic profiles of linearGnRH1, findings on this novel analogue satisfy our hypothesis according to which stable analogues of the LHRH super – agonists used in the clinic would be advantageous, either by allowing a reduction in dosing frequency or by allowing the use of analogues that act directly on the tumor, with possible additive effects and subsequent enhancements in efficacy. LinearGnRH1 can serve as the platform for the rational drug design of new chemical entities (stapled peptides, mimetics) for the treatment of hormone – dependent cancers and/ or endocrine disorders.