Karzinome der Gallenwege sind mit einer schlechten Prognose assoziiert. Eine potentiell kurative chirurgische Resektion ist bei der Mehrzahl der Patienten aufgrund des späten Zeitpunkts der Diagnosestellung nicht möglich, so dass derzeit vorrangig palliative Therapieansätze Anwendung finden. Das nur geringe Ansprechen auf konventionelle Radio- oder Zytostatikatherapie begründet die Notwendigkeit neuer Therapieansätze. Einen möglichen Angriffspunkt stellt hierbei die Polo-like-Kinase 1 (Plk1) dar, da ihre zentrale Rolle in der Regulation des Zellzyklus zunehmend erkannt und eine vermehrte Expression in malignem Tumorgewebe verglichen mit gesundem Gewebe nachgewiesen wurde. Das Dihydropteridinon BI 2536 ist ein poten-ter, niedermolekularer und selektiver Hemmstoff der Plk1 und sollte daher auf seine Wirksamkeit an Gallenwegskarzinomen untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass BI 2536 die untersuchten 14 Zelllinien von Gallenblasen- und Gallengangskarzinomen wirkungsvoll hemmt. Das Ansprechen unterschied sich zwischen den Zelllinien und ordnet sich vergleichbar zu Veröffentlichungen an anderen malignen Tumoren ein. Die Expression von Plk1 und dessen assoziierten Transkriptionsfaktor FoxM1 konnte bei Westernblot-Versuchen bei allen Zelllinien nachgewiesen werden, was eine Bedeutung in der Onkogenese vermuten lässt. Die Behandlung mit BI 2536 beeinflusste jedoch die Proteinmenge beider nicht. An für die folgenden Versuche ausgewählten drei Zelllinien zeigten sich in der reversen Transkription mit anschließender Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qRT PCR) ähnliche Ergebnisse in Bezug auf die exprimierte mRNA von Plk1. Westernblot-Analysen ermittelten keine signifikanten Veränderungen der an wichtigen intrazellulären Kaskaden beteiligten Proteine p42/44 und Akt sowie deren phosphorylierten Formen. Obwohl die Proteinmenge des Mitosemarkers Phospho-Histon H3 ebenso unverändert blieb, führte die Behandlung mit BI 2536 – dies zeigen Ergebnisse der Durchflusszytometrie – zu einer signifikanten, dosisabhängigen Zunahme der G2/M Fraktion des Zellzyklus und Zunahme der Apoptose-rate. Der maximale Hemmeffekt in der Behandlung von BI 2536 lag bei einer Inkubations-dauer von vier Tagen. Die Empfehlungen aus den klinischen Studien der Phase II von BI 2536 sowie dem Ziel der Vermeidung von Resistenzen ergibt sich die Notwendigkeit von Kombinationsversuchen mit Zytostatika, die in einer anderen Phase des Zellzyklus angreifen. Die in der Behandlung von Gallenwegskarzinomen etablierten Antimetaboliten 5-Fluorouracil und Gemcitabin wurden hierzu ausgewählt und es zeigten sich für 5 Fluorouracil synergistische, für Gemcitabin hingegen additive Kombinationseffekte. Zusätzlich wurde die Wechselwirkung mit dem IGF 1-Rezeptor-Inhibitor NVP-AEW541 untersucht, der ebenfalls einen neuen Behand-lungsansatz in der Krebstherapie darstellt und bei Gallenwegskarzinomen in vitro wirksam ist. Auch hier zeigen sich synergistische Effekte, die jedoch erst in höheren Behandlungs-dosen auftraten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Hemmung der Plk1 bei Gallenblasen- und Gallengangskarzinomen einen wirksamen Behandlungsansatz darstellt. Auf der Grundlage der in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse wird eine weitere präklinische und klinische Testung von selektiven Plk1-Hemmstoffen wie BI 2536 an Gallenwegskarzinomen empfohlen.

Karzinome der Gallenwege sind mit einer schlechten Prognose assoziiert. Eine potentiell kurative chirurgische Resektion ist bei der Mehrzahl der Patienten aufgrund des späten Zeitpunkts der Diagnosestellung nicht möglich, so dass derzeit vorrangig palliative Therapieansätze Anwendung finden. Das nur geringe Ansprechen auf konventionelle Radio- oder Zytostatikatherapie begründet die Notwendigkeit neuer Therapieansätze. Einen möglichen Angriffspunkt stellt hierbei die Polo-like-Kinase 1 (Plk1) dar, da ihre zentrale Rolle in der Regulation des Zellzyklus zunehmend erkannt und eine vermehrte Expression in malignem Tumorgewebe verglichen mit gesundem Gewebe nachgewiesen wurde. Das Dihydropteridinon BI 2536 ist ein poten-ter, niedermolekularer und selektiver Hemmstoff der Plk1 und sollte daher auf seine Wirksamkeit an Gallenwegskarzinomen untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass BI 2536 die untersuchten 14 Zelllinien von Gallenblasen- und Gallengangskarzinomen wirkungsvoll hemmt. Das Ansprechen unterschied sich zwischen den Zelllinien und ordnet sich vergleichbar zu Veröffentlichungen an anderen malignen Tumoren ein. Die Expression von Plk1 und dessen assoziierten Transkriptionsfaktor FoxM1 konnte bei Westernblot-Versuchen bei allen Zelllinien nachgewiesen werden, was eine Bedeutung in der Onkogenese vermuten lässt. Die Behandlung mit BI 2536 beeinflusste jedoch die Proteinmenge beider nicht. An für die folgenden Versuche ausgewählten drei Zelllinien zeigten sich in der reversen Transkription mit anschließender Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qRT PCR) ähnliche Ergebnisse in Bezug auf die exprimierte mRNA von Plk1. Westernblot-Analysen ermittelten keine signifikanten Veränderungen der an wichtigen intrazellulären Kaskaden beteiligten Proteine p42/44 und Akt sowie deren phosphorylierten Formen. Obwohl die Proteinmenge des Mitosemarkers Phospho-Histon H3 ebenso unverändert blieb, führte die Behandlung mit BI 2536 – dies zeigen Ergebnisse der Durchflusszytometrie – zu einer signifikanten, dosisabhängigen Zunahme der G2/M Fraktion des Zellzyklus und Zunahme der Apoptose-rate. Der maximale Hemmeffekt in der Behandlung von BI 2536 lag bei einer Inkubations-dauer von vier Tagen. Die Empfehlungen aus den klinischen Studien der Phase II von BI 2536 sowie dem Ziel der Vermeidung von Resistenzen ergibt sich die Notwendigkeit von Kombinationsversuchen mit Zytostatika, die in einer anderen Phase des Zellzyklus angreifen. Die in der Behandlung von Gallenwegskarzinomen etablierten Antimetaboliten 5-Fluorouracil und Gemcitabin wurden hierzu ausgewählt und es zeigten sich für 5 Fluorouracil synergistische, für Gemcitabin hingegen additive Kombinationseffekte. Zusätzlich wurde die Wechselwirkung mit dem IGF 1-Rezeptor-Inhibitor NVP-AEW541 untersucht, der ebenfalls einen neuen Behand-lungsansatz in der Krebstherapie darstellt und bei Gallenwegskarzinomen in vitro wirksam ist. Auch hier zeigen sich synergistische Effekte, die jedoch erst in höheren Behandlungs-dosen auftraten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Hemmung der Plk1 bei Gallenblasen- und Gallengangskarzinomen einen wirksamen Behandlungsansatz darstellt. Auf der Grundlage der in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse wird eine weitere präklinische und klinische Testung von selektiven Plk1-Hemmstoffen wie BI 2536 an Gallenwegskarzinomen empfohlen.:Vorbemerkung 1 Inhaltsverzeichnis 2 Abkürzungsverzeichnis 3 Bibliographische Beschreibung 4 1 Einleitung 5 1.1 Gallenwegskarzinome 5 1.1.1 Epidemiologie, Einteilung und Histologie 5 1.1.2 Klinische Symptomatik und Diagnostik 6 1.1.3 Therapie und Prognose 7 1.2 Polo like-Kinase 1 9 1.2.1 Entdeckung und Aufbau der Polo like-Kinasen 9 1.2.2 Funktionen 9 1.2.3 Regulation 11 1.2.4 Bedeutung in der Onkologie 12 1.2.5 Hemmung 12 1.3 BI 2536 14 1.4 Zielstellung der Arbeit 15 2 Publikation 17 3 Zusammenfassung 29 4 Summary 31 5 Literaturverzeichnis 32 6 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 45 7 Lebenslauf 46 8 Publikationen im Rahmen dieser Arbeit 48 9 Danksagung 49

Les traitements existants des métastases hépatiques du cancer colorectal montrent une efficacité insuffisante. Le projet GR5FU visait à améliorer cette efficacité et consistait à délivrer le 5-fluorouracile (5FU) dans le foie via son encapsulation dans des globules rouges (GR). Dans ce contexte, la modélisation visait à prédire la quantité de 5FU à encapsuler dans les GR pour atteindre une efficacité équivalente à celle du 5FU standard. Dans cette thèse, nous avons construit et implémenté un modèle mathématique multi-échelle qui relie l’injection du 5FU à son efficacité sur la croissance tumorale en intégrant sa pharmacocinétique et son mécanisme d’action intracellulaire. Des simulations de population de ce modèle, s’appuyant sur des paramètres de la littérature, nous ont permis (i) de reproduire des résultats cliniques montrant le pouvoir prédictif de l’enzyme Thymidylate Synthase (TS) et (ii) d’identifier deux prédicteurs potentiels de la réponse au 5FU à l’échelle d’une population virtuelle, en complément du niveau de TS : la vitesse de croissance tumorale et le métabolisme intracellulaire des pyrimidines. Nous avons également analysé, à l’aide de modèles à effets mixtes, (i) la croissance in vivo de la tumeur intra-hépatique VX2 sans traitement, tenant lieu de modèle animal de métastase hépatique, et (ii) la distribution plasmatique et hépatique du 5FU chez l’animal. Cette modélisation statistique nous a permis d’identifier les modèles décrivant des données expérimentales, d’estimer les paramètres de ces modèles et leur variabilité, et de générer une meilleure connaissance de la croissance de la tumeur VX2 et de la pharmacocinétique animale du 5FU, en particulier hépatique. Dans cette thèse, nous avons illustré comment l’intégration du métabolisme d’un médicament et de son mécanisme d’action dans un modèle global et la simulation de ce modèle à l’échelle d’une population virtuelle, constituent une approche prometteuse pour optimiser le développement d’hypothèses thérapeutiques innovantes en collaboration avec des expérimentateurs. / Existing treatments for liver metastases of colorectal cancer show a lack of efficacy. In order to improve the prognosis of patients, the GR5FU project has been implemented. It consisted in delivering the drug 5-fluorouracil (5FU) in the liver via its encapsulation in red blood cells (RBC) to increase its efficacy / toxicity ratio. In this context, the modeling aimed at predicting the amount of 5FU to encapsulate in RBC to achieve an efficacy equivalent to standard 5FU. In this thesis, we have created and implemented a multiscale mathematical model that links the injection of 5FU to its efficacy on tumor growth by integrating its pharmacokinetics and mechanism of intracellular action. Population simulations of this model, using parameters from the literature, allowed us (i) to reproduce clinical results showing the predictive power of TS enzyme level and (ii) to identify two potential predictors of response to 5FU at the level of a population of virtual patients, in addition to TS level. We also analyzed, using mixed effects models, (i) the in vivo growth of intrahepatic VX2 tumor without treatment, serving as an animal model of liver metastasis, and (ii) the distribution of 5FU in the animal’s organism. This statistical modelization enabled us to identify the models describing experimental data, to estimate the parameters of these models and their variability, and generate a better knowledge of VX2 tumor growth and animal 5FU pharmacokinetics. In this thesis, we illustrated how the integration of drug metabolism and its mechanism of action in a global model and the simulation of this model at the scale of a virtual population, form a promising approach to optimize the development of innovative therapeutic hypotheses in collaboration with experimentalists.

Nous avons optimisé des liposomes thermosensibles, encapsulant un principe actif anticancéreux, le 5-Fluorouracile (5-FU), afin de déclencher sa libération par une hyperthermie locale modérée (39-42°C) induite par des ultrasons focalisés. L'hyperthermie sera appliquée au niveau de la tumeur, afin d'améliorer l’efficacité thérapeutique et de réduire la toxicité systémique. Les liposomes ont été formulés par hydratation du film lipidique en mélangeant la 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DPPC) pour sa thermosensibilité à 41,5 ± 0,5°C, le cholestérol (CHOL) pour favoriser la stabilité des liposomes vis-à-vis des composants du sang, et le 1,2-distéaroyl-sn-glycéro-3-phosphoéthanolamine-N-[méthoxy(polyéthylène glycol)-2000] (DSPE-PEG) pour assurer la furtivité de la formulation. Les expériences ont confirmé que les liposomes formulés à base de DPPC/CHOL/DSPE-PEG dans un ratio molaire 90 : 5 : 5 mol% sont thermosensibles. Des liposomes composés du même mélange lipidique dans un rapport 65 : 30 : 5 mol% ont été considérés comme contrôle négatif non thermosensible. L’optimisation de l’encapsulation passive du 5-FU a permis d’obtenir une efficacité d’encapsulation (5-FU encapsulé/5-FU total) de 13%, mais le 5-FU est très faiblement retenu (12%) dans la cavité aqueuse des liposomes du fait du gradient osmotique à la dilution. La rétention du 5-FU a été optimisée (93%) par la technique d’encapsulation active basée sur la complexation intraliposomale du 5-FU avec le complexe cuivre-polyéthylèneimine préalablement encapsulé dans les liposomes. Cette technique a également permis d’améliorer l’efficacité d’encapsulation d’un facteur trois environ (37%), avec un taux de charge (ratio final 5-FU/lipides, mole/mole) de 50% environ. Nous avons alors obtenu des liposomes thermosensibles d'un diamètre hydrodynamique de 65 nm et de charge de surface de -10 mV. Les liposomes non thermosensibles, ont été caractérisés par un diamètre hydrodynamique de 105 nm et une charge de surface de -4,9 mV. La libération du 5-FU déclenchée par une hyperthermie induite par des ultrasons focalisés a été mesurée in vitro. En réponse à une hyperthermie de 42°C, les liposomes thermosensibles libèrent 68% de leur contenu, au bout de 10 min, alors que les liposomes non thermosensibles en libèrent moins de 20%. En outre, la cytotoxicité des liposomes encapsulant le complexe 5-FU-cuivre-polyéthylèneimine a été évaluée vis-à-vis de la lignée cellulaire HT-29 du carcinome colorectal humain. Les résultats ont révélé que les lipides à une concentration de 800 µM ne sont pas cytotoxiques (80% de viabilité). De plus, la complexation du 5-FU n’influence pas sa cytotoxicité ce qui prouve que la toxicité provient du 5-FU et non des excipients. En revanche, l’encapsulation du complexe 5-FU-cuivre-polyéthylèneimine dans les liposomes induit une diminution de la concentration inhibitrice médiane de 115 (solution du complexe) à 49 µM environ, corrélée à leur internalisation cellulaire. La pharmacocinétique chez des souris porteuses d’un modèle de tumeur colorectale HT-29 xénogreffée a montré que les liposomes permettent de prolonger d’un facteur 1,4 la demi-vie plasmatique de distribution du 5-FU. De plus, les aires sous la courbe des concentrations plasmatiques sur 24 h sont 1,9 et 2,9 fois plus élevées lorsque le 5-FU est administré sous forme de liposomes thermosensibles et non thermosensibles, respectivement, par rapport à la solution de 5-FU. Enfin, les liposomes non thermosensibles augmentent significativement d'un facteur 2 l'accumulation du 5-FU dans la tumeur par rapport à la solution de 5-FU. En conclusion, les liposomes thermosensibles développés présentent un fort intérêt pour une application thérapeutique en combinaison avec des ultrasons focalisés. / We optimized thermosensitive liposomes encapsulating an anticancer drug, 5-Fluorouracil (5-FU), in order to trigger the release upon focused ultrasound-mediated mild hyperthermia at the tumor. This approach would improve drug efficacy and would lower side effects. Liposomes were prepared by the lipid hydration method by mixing 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) for its temperature sensitivity at 41.5 ± 0.5°C, cholesterol (CHOL) to promote liposome stability towards blood components, and 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (DSPE-PEG) to confer stealthiness to the formulation. The experiments confirmed that the liposomes formulated with DPPC/CHOL/DSPE-PEG in a molar ratio 90:5:5 mol% are thermosensitive, while liposomes composed of the same lipid mixture in a ratio 65:30:5 mol% were considered non thermosensitive negative control. The optimization of passive encapsulation of 5-FU yielded an encapsulation efficacy (encapsulated 5-FU/total 5-FU) of 13%. 5-FU was, however, very weakly retained (12%) in the aqueous core of liposomes following dilution due to the generation of an osmotic gradient. The retention of 5-FU has been optimized (93%) by the active encapsulation technique based on the intraliposomal complexation of 5FU with copper-polyethylenimine complex encapsulated beforehand into liposomes. This technique also improved 5-FU encapsulation efficacy by 3-fold (37%), yielding a loading efficiency (final drug/lipid ratio, mol/mol) of approximately 50%. The resulting thermosensitive liposomes and non thermosensitive liposomes have a hydrodynamic diameter and a surface charge around 65 nm and -10 mV, and 105 nm and -4.9 mV, respectively. Heat-triggered drug delivery was evaluated using focused ultrasound, and showed a release of 68% of the encapsulated 5-FU from thermosensitive liposomes, within 10 min, whereas release remained below 20% for the non thermosensitive formulation. Furthermore, the cytotoxicity of 5-FU-copper-polyethylenimine complex-loaded liposomes towards HT-29 human colorectal carcinoma cell line was evaluated. Results revealed that lipids at a concentration of 800 µM are not cytotoxic (80% viability). Moreover, 5-FU complexation has no impact on its cytotoxic activity, disclosing that liposomes toxicity arose from 5-FU and not from the excipients. Nevertheless, 5-FU-copper-polyethylenimine complex-loaded liposomes exhibited a lower half maximal inhibitory concentration of 49 µM compared to 115 µM for complex solution. This enhancement of cytotoxicity was attributed to the cellular internalization of liposomes. Pharmacokinetics in mice bearing HT-29 xenograft tumor showed that liposomes can extend the plasma distribution half-life of 5-FU by a factor 1.4. Furthermore, areas under the concentration-time curve over 24 h were higher by 1.9- and 2.9-fold when the drug was encapsulated into thermosensitive and non thermosensitive liposomes, respectively, compared to free 5-Fluorouracil. Finally, non thermosensitive liposomes significantly increased 5-FU accumulation in tumor by 2-fold, compared to 5-FU solution. In conclusion, these 5-FU-loaded thermosensitive liposomes represent valuable carriers to investigate the therapeutic efficacy following focused ultrasound-mediated heat application.

Despite a decade of publications investigating the effect of germline polymorphisms on both toxicity related to treatment with 5-fluorouracil-based (5-FU) chemotherapy and prognosis following diagnosis with colorectal cancer (CRC), few genetic biomarkers have been identified convincingly. For 5-FU toxicity and CRC prognosis, in four results chapters, this thesis aims to validate previously-reported genetic biomarkers, identify new markers, determine the mechanistic basis of associated polymorphisms, and expand upon methods in the field. The first three results chapters investigate genetic biomarkers for the prediction of toxicity caused by 5-FU-based treatment, particularly for the 5-FU prodrug capecitabine (Xeloda®, Roche). In the first, a systematic review and meta-analysis is performed for all variants that have been previously studied for an association with toxicity caused by any 5-FU-based drug regimen. 16 studies are analysed, including 36 previously-studied variants. Four variants show strong evidence of affecting a patient’s risk of global (any) 5-FU-related toxicity upon analysis of both the existing data and over 900 patients from the QUASAR2 trial of capecitabine +/- bevacizumab (Avastin®, Roche/Genentech): DPYD 2846, DPYD *2A, TYMS 5’VNTR and TYMS 3’UTR. Next, 1,456 polymorphisms in 25 genes involved in the activation, action or degradation of 5-FU are investigated in 1,046 patients from QUASAR2. At a Bonferroni-corrected p-value threshold of 3.43e-05, three novel associations with capecitabine-related toxicity are identified in DPYD (rs12132152, rs7548189, A551T) and the previously-identified TYMS 5’VNTR and 3’UTR toxicity polymorphisms are refined to a tagging SNP (rs2612091) downstream of TYMS and intronic to the adjacent ENOSF1, the latter of which appears to be functional. Finally, a genome-wide investigation of 4.77 million directly genotyped or imputed SNPs identifies one variant (rs2093152 on chr20) as significantly associated with capecitabine-related diarrhoea (p<5e-08), though no associations meet this threshold for global toxicity. In the study of CRC prognosis, a severe left truncation to the VICTOR trial is defined and shown to probably reduce statistical power but not bias effect estimates. Applying standard and novel genome-wide analysis approaches, a set of 43 SNPs are prioritised for future work. With over one million new CRC cases annually, this work helps define biomarkers that could become broadly applicable in the clinical setting.