L’avènement du séquençage haut débit a mis en lumière l’hétérogénéité des cancers du sein qui peuvent être groupés en fonction d’altérations moléculaires spécifiques qui sont pour certaines à la base de thérapies ciblées dans le cadre de la médecine personnalisée. Néanmoins de nombreuses complications viennent compromettre le succès thérapeutique de ces approches. En effet, l’une des thérapies ciblées les plus efficaces développées récemment, les inhibiteurs de CDK4/6, sont prescrits chez tous les patients HR+/HER aux stades avancés de la maladie alors même qu’aucun biomarqueur n’a pour l’heure été identifié. Ainsi les données pharmacodynamiques et les marqueurs pronostics font cruellement défaut pour ces patients. Afin d’identifier de tels marqueurs, nous avons conduit une étude clinique « fenêtre d’opportunité » incluant 100 patients à un stade précoce de la maladie. L’analyse en IHC et les études de profilage expression génomique des tumeurs a permis de montrer qu’une courte exposition au palbociclib, un inhibiteur de CDK4/6 induisait un arrêt du cycle cellulaire révélé par une diminution de phospho-Rb et Ki67. Cette corrélation entre diminution du phospho-Rb et la diminution de la prolifération suggère d’ailleurs son utilisation comme biomarqueur de la réponse au palbociclib. Une analyse sur puce à cDNA a permis d’identifier un panel de gènes régulateurs de la prolifération (MKI67, TOP2A, BIRC5) et de la machinerie du cycle cellulaire (PLK1, FOXM1) modulé par le palbociclib. Bien que nous n’ayons pu identifier de marqueurs de résistance au palbociclib en condition basale, nous avons observé des niveaux élevés de CCNE chez les patients traités résistants au palbociclib. Cette donnée a été confirmée chez les patients aux stades avancés de la maladie dans le cadre d’une étude menée en collaboration avec un groupe britannique. D’autres données obtenues en collaboration avec une équipe de l’université Vanderbilt, ont par ailleurs permis de suggérer une contribution des inhibiteurs de CDK4/6 à la réversion de la résistances aux hormonothérapie en inhibant l’expression les gènes cibles du facteur de transcription E2F4. Pour finir, les activités biologiques et cliniques des différents inhibiteurs de CDK4/6 disponibles n’étant pas exactement identiques, un second essai clinique « fenêtre d’opportunité » nous a permis de mettre en évidence un profil de toxicité distinct de l’abemaciclib et de montrer que, contrairement au palbociclib, l’abemaciclib montre une efficacité lorsqu’il est utilisé seul. Une des explications possible de ces différentes activités serait un spectre d’action de l’abemaciclib ciblant plus efficacement la CDK9, même si l’impact clinique associé n’a pas été examiné en détail et qu’une comparaison rigoureuse de l’activité de ces deux inhibiteurs de CDK n’a pas encore été réalisée. / New sequencing methods have revealed that breast cancer is heterogeneous and characterized by different subgroups harboring specific molecular alterations for which targeted therapies have been developed with the hope of implementing personalized medicine. However, this approach has been proven far too simplistic. Indeed, one of the latest and more efficient targeted therapies to be developed in breast cancer are the CDK4/6 inhibitors, approved for all HR+/HER2- advanced breast cancers. So far, and despite the significant number of patients treated with these drugs, no biomarkers of efficacy have been identified and no clear information about pharmacodynamics have been presented. In order to determine biomarkers of efficacy and pharmacodynamics of palbociclib, the first approved CDK4/6 inhibitor, we conducted a window of opportunity clinical trial in 100 early breast cancer patients. IHC and GE analyses identified that a short period of palbociclib treatment was able to induce cell cycle arrest as determined by decreased phospho-Rb expression and this was accompanied by a profound decrease in proliferation as determined by lnKi67<1 after treatment, with a correlation between changes in proliferation and changes in phospho-Rb, suggesting that early decrease in phospho-Rb could be linked to sensitivity to this drug. Microarray analyses identified that palbociclib modulates genes involved in proliferation (such as MKI67, TOP2A, BIRC5) and cell cycle (such as PLK1, FOXM1). Despite we were not able to identify baseline biomarkers of resistance to this treatment, we observed that levels of CCNE remained high in palbociclib-resistant patients. This finding was further validated in collaboration with an-UK research group who had conducted biomarker research in the advanced setting. Moreover, our data helped also to determine in a different collaboration with Vanderbilt University, that CDK/6 inhibitors might contribute to reverse endocrine resistance generated by activation of genes linked to the E2F4 transcription factor. Finally, as preclinical and clinical data suggest some diversity between different CDK4/6 inhibitors, we decided to conduct a second window of opportunity trial with a second CDK4/6 inhibitor, abemaciclib, who has shown different toxicity profile and, unlike palbociclib, significant efficacy as single-agent. One suggested explanation could be due to a higher impact on CDK9, although its clinical impact has not been determined and no comparison between these two drugs has been performed.

ER positive (ER+) and HER2 negative (HER2-) breast cancers are routinely treated based on estrogen dependence. CDK4/6 inhibitors in combination with endocrine therapy have significantly improved the progression-free survival of patients with ER+/HER2- metastatic breast cancer. Gene expression profiling in ER+/HER2- models was used to define the basis for the efficacy of CDK4/6 inhibitors and develop a gene expression signature of CDK4/6 inhibition. CDK4/6 inhibition robustly suppressed cell cycle progression of ER+/HER2- models and complements the activity of limiting estrogen. Chronic treatment with CDK4/6 inhibitors results in the consistent suppression of genes involved in cell cycle, while eliciting the induction of a comparable number of genes involved in multiple processes. The CDK4/6 inhibitor treatment shifted ER+/HER2- models from a high risk (luminal B) to a low risk (luminal A) molecular-phenotype using established gene expression panels. Consonantly, genes repressed by CDK4/6 inhibition are strongly associated with clinical prognosis in ER+/HER2- cases. This gene repression program was conserved in an aggressive triple negative breast cancer xenograft, indicating that this is a common feature of CDK4/6 inhibition. Interestingly, the genes upregulated as a consequence of CDK4/6 inhibition were more variable, but associated with improved outcome in ER+/HER2- clinical cases, indicating dual and heretofore unknown consequence of CDK4/6 inhibition. Interestingly, CDK4/6 inhibition was also associated with the induction of a collection of genes associated with cell growth; but unlike suppression of cell cycle genes this signaling was antagonized by endocrine therapy. Consistent with the stimulation of a mitogenic pathway, cell size and metabolism were induced with CDK4/6 inhibition but ameliorated with endocrine therapy. Together, the data herein support the basis for profound interaction between CDK4/6 inhibitors and endocrine therapy by cooperating for the suppression of cell cycle progression and limiting compensatory pro-growth processes that could contribute to therapeutic failure.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(人間健康科学) / 甲第23123号 / 人健博第85号 / 新制||人健||6(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科人間健康科学系専攻 / (主査)教授 藤井 康友, 教授 岡 昌吾, 教授 滝田 順子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Human Health Sciences / Kyoto University / DFAM

La sénescence cellulaire est une réponse aux stresses selon laquelle des cellules pouvant proliférer optent pour entrer dans un arrêt du cycle cellulaire en réponse à une variété de stimulations intrinsèques et extrinsèques telle que, par exemple, le raccourcissement des télomères, un stress oxydatif, des dommages à l’ADN ou l’activation constitutive d’oncogènes. Toutes ces stimulations ont en commun le potentiel d’initier ou de promouvoir une transformation néoplasique qui peut dégénérer en cancer. En fait, la sénescence est maintenant acceptée comme un mécanisme cellulaire autonome pour empêcher le développement du cancer et elle est reconnue, particulièrement dans les cellules humaines, pour s’établir et se maintenir à l’aide d’au moins deux voies de suppression tumorale majeures : les voies de p53/p21CIP et de p16INK4A/pRB. Ces deux voies sont capables d’activer et d’augmenter l’expression d’un autre suppresseur tumoral : la protéine PML. En tant que suppresseur de tumeur, PML est suffisant pour induire la sénescence dans des cellules normales, mais il n’arrive généralement pas à activer une réponse complète de sénescence dans les cellules cancéreuses. Considérant ces faits, le premier objectif de cette thèse était d’étudier le mécanisme de résistance des cellules cancéreuses contre la sénescence induite par PML. Nous avons trouvé que, dans des cellules normales, la surexpression de CDK4 ou de CDK6 (CDK4/6) est suffisante pour contourner la sénescence induite par PML. De même dans les cellules cancéreuses, l’expression de ces kinases, souvent retrouvées augmentées dans de nombreux cancers, prévient probablement l’induction d’une sénescence par PML. Effectivement, grâce à l’inhibition de l’expression et/ou de la fonction kinase des CDK4/6, nous avons réussi à restaurer un programme de sénescence dans des cellules cancéreuses. En fait, l’utilisation de palbociclib, un inhibiteur spécifique de CDK4/6 maintenant en essais cliniques, permet d’augmenter l’habileté de PML à induire un arrêt de croissance plus fort et plus durable dans des cellules en cultures ainsi qu’une meilleure réduction de la progression de tumeurs dans des souris. Cette sénescence plus complète corrèle avec une augmentation de la présence de marqueurs d’autophagie, une meilleure répression des gènes cibles des E2F et une signature d’expression de gènes correspondant à l’inhibition de la méthylation de l’ADN. Ce dernier point découle du fait que l’inhibition de CDK4/6 par le palbociclib promeut une dégradation par autophagie de la DNA méthyltransférase DNMT1. Nous avons aussi démontré que CDK4 est capable d’interagir avec DNMT1 et de le phosphoryler in vitro. Ces résultats soulignent la valeur potentielle des inhibiteurs de CDK4/6 en tant que modulateurs épigénétiques pour faciliter l’activation de la sénescence dans des cellules cancéreuses. La sénescence induite par PML est fortement liée aux modifications post-traductionnelles. Parmi ces dernières, la SUMOylation joue un rôle important dans la fonction d’échafaudeur de PML et dans la formation des corps de PML. Les corps de PML sont des structures nucléaires dynamiques stimulées par des stresses, comme l’activation d’oncogènes menant à la sénescence, et dont la formation permet la séquestration de protéines spécifiques pour leur régulation et/ou pour leur modification post-traductionnelle. À travers le recrutement de protéines, les corps de PML régulent de nombreuses fonctions cellulaires telles que la sénescence, l’apoptose, la réponse antivirale, la réponse aux dommages à l’ADN et la régulation de l’expression de gènes. Compte tenu de cela, le deuxième objectif de cette thèse était de caractériser le rôle de la SUMOylation dans la sénescence induite par un oncogène, soit par l’expression de l’oncogène RAS. À l’aide d’une analyse du protéome de SUMO3 dans les cellules sénescentes versus des cellules en croissances, nous avons pu identifier 25 sites de SUMOylation dans 23 protéines dont l’incidence était significativement régulée par la sénescence. Il est à noter que la plupart de ces protéines (un tiers) sont connues pour être associées au corps de PML. Curieusement, UBC9 (la seule enzyme E2 pour la SUMOylation) a été retrouvée plus SUMOylée dans la sénescence sur sa Lys-49. Des études fonctionnelles d’un mutant d’UBC9 pour la Lys-49 ont démontré une diminution de son association aux corps de PML et la perte de la capacité d’UBC9 surexprimé à retarder la sénescence. De plus, la localisation forcée d’UBC9 dans les corps de PML gêne la sénescence induite par PML ou RAS. Ces résultats nous permettent de proposer des fonctions pro- et anti-sénescence de la SUMOylation des protéines, particulièrement pour UBC9. Mots-clés : Sénescence, PML, CDK4 et CDK6 (CDK4/6), méthylation de l’ADN, palbociclib, corps de PML, SUMOylation, UBC9 / Cellular senescence is a stress response wherein proliferating competent cells undergo a stable cell cycle arrest in response to a variety of intrinsic and extrinsic stimuli, including telomere shortening, oxidative stress, DNA damage or the constitutive activation of oncogenes among others. All these stimuli have in common the potential to initiate or promote neoplastic transformation that can degenerate in cancer. Senescence, particularly in human cells, is established and maintained by at least two major tumor suppressor pathways: the p53/p21CIP and p16INK4A/pRB pathways and is now accepted as a potent cell-autonomous mechanism for suppressing the development of cancer. Both pathways are able to activate and increase the expression of the tumor suppressor protein PML. As a tumor suppressor, PML is sufficient to induce senescence in normal cells; however, upon the same stimuli, cancer cells fail to engage a complete senescence response. Given this, the first aim of this thesis is to investigate the resistance mechanisms of cancer cells to PML-induced senescence. We found that overexpression of the CDK4 and CDK6 (which are often up-regulated in cancer) are sufficient to bypass PML-induced senescence in normal cells. In cancer cells the expression of these kinases impairs the PML-induced senescence. By inhibiting the expression and/or function of CDK4/6 we were able to restore the senescence program in cancer cells. Also, the specific CDK4/6 inhibitor palbociclib (currently used in clinical trials) increased the ability of PML to regulate a stronger and more permanent growth inhibition in cell culture and decreased tumor progression in mice. This complete senescence response correlated with an increase in autophagy markers, repression of E2F target genes and a gene expression signature of blocked DNA methylation. Furthermore, CDK4/6 inhibition by palbociclib promotes autophagy-dependant degradation of the DNA methyltransferase DNMT1. More important, we were able to demonstrate that CDK4 directly interacts and phosphorylates DNMT1 in vitro. These results highlight the potential value of CDK4/6 inhibitors as epigenetic modulators to facilitate activation of cellular senescence in cancer cells. PML-induced senescence is tightly regulated by post-translational modifications (PTMs). Among these PTMs, SUMOylation plays an important role in the scaffold function of PML and the formation of the PML-NBs (PML-Nuclear Bodies). PML-NBs are dynamic structures triggered by stress such as oncogene-induced senescence, and its formation allows the sequestration of target proteins for their regulation and/or its post-translational modification. By protein recruitment, PML-NBs regulate several cellular functions such as senescence, apoptosis, antiviral response, DNA repair and gene regulation. Given this; the second aim of this thesis is to characterize the role of SUMOylation in oncogene mediated cellular senescence, specifically by the expression of the oncogene RAS. By a SUMO3 proteome analysis of senescent cells we were able to identify 25 SUMO sites in 23 proteins that were significantly regulated during senescence. Importantly, most of these proteins were PML-NB associated. Interestingly, UBC9 (the only SUMO E2 enzyme), was found more SUMOylated in senescence on its Lys-49. Functional studies of a UBC9 mutant in Lys-49 showed a decreased association to PML-NBs and the loss of UBC9’s ability to delay senescence. Moreover, forced localization of UBC9 into PML-NBs counteracted RAS and PML-induced senescence. These results allowed us to propose a pro- and an anti-senescence function of protein SUMOylation, specifically for UBC9. Keywords: Senescence, PML, CDK4/6, DNA methylation, palbociclib, PML-NBs, SUMOylation, UBC9

Breast cancer is the most common cancer among women in Sweden and globally. Socio-demographic, genetic and productive factors together with some endogenous and exogenous hormones and lifestyle are some of the risk factors that can cause this type of cancer. There is no cure for metastatic breast cancer but the treatment goal is to control the disease and prolong the survival. Treatment options in metastatic breast cancer are exactly like the ones in primary breast cancer. Targeted cancer therapy is a treatment that targets either one or some specific characters of the cancer. Serine-threonine kinases called CDK4/6 inhibitors like Ibrance with chemical name palbociclib, Kisqali with chemical name ribociclib and Verzenios with chemical name abemaciclib are used for target therapy against metastatic breast cancer. CDK4/6 inhibitors in combination with aromatase inhibitors, estrogen receptor down regulators or selective receptor modulators are also used to address the treatment resistant metastatic breast cancers. The aim of this thesis is to investigate the role and the effect of CDK4/6 inhibitors in the treatment of metastatic breast cancer. Six randomized controlled trial studies were selected from the PubMed data base. Results from the trial analysis showed equal effects and relative same adverse event profiles between those three mentioned CDK4/6 inhibitors. The primary endpoint, progression free survival and secondary endpoints including overall survival, clinical benefit rate, overall response rate and safety were investigated in these studies. The duration of progression free survival (PFS) and overall response rate (ORR) was longer and improved in most studies however improvement in overall survival (OS) was not achieved. More research studies are needed to determine optimal treatment for patients with metastatic breast cancer who are medicated by CDK4/6 inhibitors. / Bröstcancer är den vanligaste cancerformen bland kvinnor i Sverige och globalt. Sociodemografiska, genetiska och reproduktiva faktorer samt vissa endogena och exogena hormoner och livsstil är några riskfaktorer som kan orsaka denna typ av cancer. Metastatisk bröstcancer innebär att cancer har spridit sig bland andra organ i kroppen bland annat ben, hjärna, lever och lungor. Det finns inget botemedel mot metastatisk bröstcancer men målet är att kontrollera sjukdomen och förlänga överlevnaden och behandlingsalternativ för detta är exakt som den i den primära bröstcancern. Målspecifik cancerterapi är en behandling som riktar sig mot någon specifik karaktär hos cancercellerna. En klass av läkemedel består av en stor familj av serintreoninkinaser som kallas CDK4/6-hämmare: Ibrance (palbocilcib), Kisqali (ribocilcib) och Verzenios (abemaciclib) används mot metastaserad bröstcancer. Syftet med det här examensarbetet var att undersöka rollen samt effekten av CDK4/6 hämmare vid behandling av metastatisk bröstcancer. Sex randomiserade kliniska studier erhölls från artikelsökningar i databasen PubMed. Resultat från artikelanalyser visade likvärdiga effekter samt relativt samma biverkningsprofil mellan de tre ovannämnda CDK4/6 inhibitorerna. Den primära utfallsvariabeln var progressionsfri överlevnad och de sekundära utfallsvariablerna inkluderade total överlevnad, klinisk nytta, den totala svarsfrekvensen och säkerhet undersöktes i dessa studier. Varaktigheten av progressionsfri överlevnad (PFS) samt den totala svarsfrekvensen (ORR) var längre och förbättrades i nästan alla studier medan den totala överlevnaden (OS) kunde inte fastställas då inte tillräckligt med data kunde samlas in. Ytterligare undersökningar behövs för att förstå den fulla mekanismen bakom resistensutveckling samt utöka strategier för att minska negativa biverkningar av CDK4/6 hämmare vid behandling av patienter vid metastatisk bröstcancer.

No description available.

Estrogen receptor (ER)-positive breast cancer is responsive to a number of targeted therapies used clinically. Unfortunately, the continuous application of any targeted therapy often results in resistance to the therapy. Our ultimate goal is to use mathematical modelling to optimize alternating therapies that not only decrease proliferation but also stave off resistance. Toward this end, we measured levels of key proteins and proliferation over a 7-day time course in ER-positive MCF7 breast cancer cells. Treatments included endocrine therapy, either estrogen deprivation, which mimics the effects of an aromatase inhibitor, or fulvestrant, an ER degrader. These data were used to calibrate a mathematical model based on key interactions between ER signaling and the cell cycle. We show that the calibrated model is capable of predicting the combination treatment of fulvestrant and estrogen deprivation. Further, we show that we can add a new drug, palbociclib, to the model by measuring only two key proteins, c-Myc and hyperphosphorylated RB1, and adjusting only parameters associated with the drug. The model is then able to predict the combination treatment of estrogen deprivation and palbociclib. Then we added the dynamics of estrogen concentration in the medium into the model and extended the short-term model to a long-term model. The long-term model can simulate various mono- or combination treatments at different doses over 28 days. In addition to palbociclib, we add another Cdk4/6 inhibitor to the model, abemaciclib, which can induce apoptosis at high concentrations. Then the model can match the effects of abemaciclib treatment at two different doses and also capture the apoptosis effects induced by abemaciclib. After calibrating the model to these different treatment conditions, we used the model to explore the synergism among these different treatments. The mathematical model predicts a significant synergism between palbociclib or abemaciclib in combination with fulvestrant. And the predicted synergisms are verified by experiments. This critical synergism between these Cdk4/6 inhibitors and endocrine therapy could reflect the reason that Cdk4/6 inhibitors achieve pronounced success in clinic trails. Lastly, we used protein biomarkers (cyclinD1, cyclinE1, Cdk4, Cdk6 and Cdk2) and palbociclib dose-response proliferation assays to assess the difference between mono- and alternating therapy after 10 weeks of treatments. But neither the protein levels nor palbociclib dose-response show significant differences after 10 weeks of treatment. Therefore, we cannot conclude that alternating therapy delays palbociclib resistance compared with palbociclib mono-treatment after 10 weeks. Longer term experiments or other methods will be needed to uncover any difference. However, in this research we showed that a mechanism-based mathematical model is able to simulate and predict various effects of clinically-used treatments on ER-positive breast cancer cells at different time scales. And this mathematical model has the potential to explore ideas for potential drug treatments, optimize protocols that limit proliferation, and determine the drugs, doses, and alternating schedule for long term experiments. / Doctor of Philosophy / Estrogen receptors are proteins found inside breast cancer cells that are activated by the hormone estrogen. Estrogen-receptor positive breast cancer is the most common type of breast cancer and accounts for about 70% of breast cancer tumors. Endocrine therapy, which inhibits estrogen receptor signaling, and Cyclin-dependent kinase 4 and 6 (Cdk4/6) inhibitors are the preferred first-line therapy for patients with estrogen receptor-positive cancers. We built a mathematical model of MCF7 cells (an estrogen receptor-positive breast cancer cell line) in response to these standard first-line therapies. This mathematical model can capture the experimentally observed protein and cell proliferation changes in response to various treatment conditions, including different drug combinations, different doses, and different treatment durations up to 28 days. The model can then be used to look for more effective treatment possibilities. In particular, our mathematical model predicted a strong synergism between Cdk4/6 inhibitors and endocrine therapy, which could allow significant reductions in drug dosage while producing the same effect. This synergism was verified by experiments. In addition to treatment methods where one drug or combination of several drugs is used continuously, we consider alternating among various therapies in a fixed cycle. The mathematical model can help us determine which drugs and which doses might be most appropriate. Since an alternating therapy doesn't inhibit one particular target non-stop, the hope is that alternating therapies can delay the onset of drug resistance, where the drug becomes less effective or stops working completely. Unfortunately, an initial 10- week experiment to test for differences in resistance to a mono-therapy versus an alternating therapy did not show a significant difference, pointing to the need for longer experiments to see if alternating therapies can actually make a difference in resistance. Mathematical models will be important for determining the drugs, doses, and time intervals to be used in these experiments, as figuring out the best options by trial and error in such long-term experiments is not practical.

Krebserkrankungen stellen in Deutschland die zweithäufigste Todesursache dar und die Anzahl der Neuerkrankungen nimmt stetig zu. Frühzeitige Diagnosen und Therapiemöglichkeiten sind daher dringend erforderlich. Cyklinabhängige Proteinkinasen (Cdk) spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation des Zellzyklus. Viele Tumore zeigen eine deregulierte Cdk4‑Aktivität und/oder ‑Expression. Insgesamt zeigen ca. 80% aller Tumore eine Fehlregulation der für den Zellzyklus zentralen Cdk4/CykD1/INK4/pRb/E2F Signalkaskade. Somit besitzen Cdks ein enormes therapeutisches Potential im Kampf gegen Krebs. Die spezifische Inhibierung der Cdks verhindert die Zellproliferation und damit das Tumorwachstum. In den letzten Jahren wurden verschiedenste Strukturklassen vorgestellt, die als Cdk4-Inhibitor wirken. Im Rahmen der Promotion sollen die Möglichkeiten einer funktionellen Tumordiagnose mittels cyklinabhängiger Kinasen untersucht werden. Die Entwicklung von radioaktiv markierten Inhibitoren der Cdk4/6 als Radiotracer und ihre radiopharmakologische Charakterisierung stellt dabei einen neuen Ansatz dar. Um die Rolle der Cdk4/6 im Zellzyklus von gesunden und deregulierten (z.B. Tumor-) Zellen aufzuklären, sollten mit Iod-124 und Fluor-18 markierte Inhibitoren eingesetzt werden, die hochselektiv diese Cdks blockieren. Zunächst wurden verschiedene Inhibitoren der Cdk4/6 und deren Vorstufen für die Radiomarkierung dargestellt. Die bereits aus den Vorarbeiten von VanderWel et al., 2005 und Toogood et al., 2001 bekannten Syntheserouten mussten dazu optimiert werden und für neue Verbindungen, wie die fluorethylierten Substanzen, wurden neue Reaktionswege gefunden. Die dargestellten Referenzverbindungen CKIA-E wurden anschließend mittels Durchflusszytometrie an den Zelllinien HT-29 und FaDu auf ihre inhibitorischen Wirkung untersucht. Die Untersuchungen der Verbindungen CKIA/B/E zeigte, dass ein Zellzyklusarrest unter Einwirkung der Inhibitoren erreichbar ist. Die weiteren Untersuchungen zur Radiomarkierbarkeit sowie die radiopharmakologische Evaluation sollten daher an den Verbindungen CKIA, CKIB und CKIE stattfinden. Die Darstellung der Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB erfolgte in zwei Schritten über die elektrophile Substitution durch regioselektive Destannylierung mit anschließender Entschützung der Seitenkette. Die Darstellung der fluorethylierten Verbindung erfolgte ebenfalls über eine Zweischrittsynthese beginnend mit der Synthese der prosthetischen Gruppe [18F]BFE aus der Tosylmarkierungsvorstufe. Die zur Markierung des sekundären Amins zur Auswahl stehenden prosthetischen Gruppen [18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [18F]Bromfluorethan ([18F]BFE) wurden auf ihre Eignung untersucht, ebenso wie die Auswahl einer geeigneten Markierungsvorstufe für die Darstellung der prosthetischen Gruppe. Die optimierten Syntheserouten ermöglichten die Isolierung von ausreichenden Mengen an Produktaktivität für die radiopharmakologischen Untersuchungen. Es fanden, neben der Bestimmung der spezifischen Aktivität und der Lipophilie der Verbindungen, Zellaufnahmeuntersuchungen und Bestimmungen zur Stabilität der Verbindungen in vitro, ex vivo und in vivo statt. Die radioiodierten Verbindungen konnten des Weiteren zur Untersuchungen der Bioverteilung in normalen männlichen Wistar-Ratten eingesetzt werden. Für alle drei Verbindungen konnte eine sehr hohe in vitro-Stabilität festgestellt werden. Die Zellaufnahmeuntersuchungen zeigten vor allem für die Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB eine beträchtliche Zellaufnahme von über 1000% ID/mg Protein nach 2 h. Die Zellaufnahme der Verbindung CKIE ist geringer, sollte allerdings für eine in vivo-Anwendung ausreichend sein. Die Untersuchung der in vivo‑Stabilität der Verbindungen [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE im Blut von Wistar Ratten ergab allerdings, dass alle Verbindungen schnell metabolisiert werden. Die Untersuchung der Bioverteilung der radioiodierten Verbindungen belegen eine in vivo Radiodeiodierung sowie eine hohe hepatobliliäre Auscheidungsrate. Im Hinblick auf eine Anwendung als Radiotracer konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Erkenntnisse gewonnen werden. Die dargestellten Inhibitoren sind in der Lage am Zellmodell den Zellzyklusarrest in der G1-Phase zu induzieren. Eine Radiomarkierung der ausgewählten Strukturen liefert das Produkt mit reproduzierbarer Ausbeute in hoher radiochemischer Reinheit und ausreichender spezifischer Aktivität, allerdings ist eine Herstellung der fluorethylierten Verbindung unter GMP-Bedingungen nur schwer realisierbar. Die radiomarkierten Verbindungen zeigen eine hohe in vitro-Stabilität und werden energieabhängig in die Zelle aufgenommen. Anhand der Stabilitätsuntersuchungen in vivo wurde gezeigt, dass alle drei Verbindungen in vivo instabil sind und sehr schnell hepatobiliär eliminiert.

Krebserkrankungen stellen in Deutschland die zweithäufigste Todesursache dar und die Anzahl der Neuerkrankungen nimmt stetig zu. Frühzeitige Diagnosen und Therapiemöglichkeiten sind daher dringend erforderlich. Cyklinabhängige Proteinkinasen (Cdk) spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation des Zellzyklus. Viele Tumore zeigen eine deregulierte Cdk4‑Aktivität und/oder ‑Expression. Insgesamt zeigen ca. 80% aller Tumore eine Fehlregulation der für den Zellzyklus zentralen Cdk4/CykD1/INK4/pRb/E2F Signalkaskade. Somit besitzen Cdks ein enormes therapeutisches Potential im Kampf gegen Krebs. Die spezifische Inhibierung der Cdks verhindert die Zellproliferation und damit das Tumorwachstum. In den letzten Jahren wurden verschiedenste Strukturklassen vorgestellt, die als Cdk4-Inhibitor wirken. Im Rahmen der Promotion sollen die Möglichkeiten einer funktionellen Tumordiagnose mittels cyklinabhängiger Kinasen untersucht werden. Die Entwicklung von radioaktiv markierten Inhibitoren der Cdk4/6 als Radiotracer und ihre radiopharmakologische Charakterisierung stellt dabei einen neuen Ansatz dar. Um die Rolle der Cdk4/6 im Zellzyklus von gesunden und deregulierten (z.B. Tumor-) Zellen aufzuklären, sollten mit Iod-124 und Fluor-18 markierte Inhibitoren eingesetzt werden, die hochselektiv diese Cdks blockieren. Zunächst wurden verschiedene Inhibitoren der Cdk4/6 und deren Vorstufen für die Radiomarkierung dargestellt. Die bereits aus den Vorarbeiten von VanderWel et al., 2005 und Toogood et al., 2001 bekannten Syntheserouten mussten dazu optimiert werden und für neue Verbindungen, wie die fluorethylierten Substanzen, wurden neue Reaktionswege gefunden. Die dargestellten Referenzverbindungen CKIA-E wurden anschließend mittels Durchflusszytometrie an den Zelllinien HT-29 und FaDu auf ihre inhibitorischen Wirkung untersucht. Die Untersuchungen der Verbindungen CKIA/B/E zeigte, dass ein Zellzyklusarrest unter Einwirkung der Inhibitoren erreichbar ist. Die weiteren Untersuchungen zur Radiomarkierbarkeit sowie die radiopharmakologische Evaluation sollten daher an den Verbindungen CKIA, CKIB und CKIE stattfinden. Die Darstellung der Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB erfolgte in zwei Schritten über die elektrophile Substitution durch regioselektive Destannylierung mit anschließender Entschützung der Seitenkette. Die Darstellung der fluorethylierten Verbindung erfolgte ebenfalls über eine Zweischrittsynthese beginnend mit der Synthese der prosthetischen Gruppe [18F]BFE aus der Tosylmarkierungsvorstufe. Die zur Markierung des sekundären Amins zur Auswahl stehenden prosthetischen Gruppen [18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [18F]Bromfluorethan ([18F]BFE) wurden auf ihre Eignung untersucht, ebenso wie die Auswahl einer geeigneten Markierungsvorstufe für die Darstellung der prosthetischen Gruppe. Die optimierten Syntheserouten ermöglichten die Isolierung von ausreichenden Mengen an Produktaktivität für die radiopharmakologischen Untersuchungen. Es fanden, neben der Bestimmung der spezifischen Aktivität und der Lipophilie der Verbindungen, Zellaufnahmeuntersuchungen und Bestimmungen zur Stabilität der Verbindungen in vitro, ex vivo und in vivo statt. Die radioiodierten Verbindungen konnten des Weiteren zur Untersuchungen der Bioverteilung in normalen männlichen Wistar-Ratten eingesetzt werden. Für alle drei Verbindungen konnte eine sehr hohe in vitro-Stabilität festgestellt werden. Die Zellaufnahmeuntersuchungen zeigten vor allem für die Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB eine beträchtliche Zellaufnahme von über 1000% ID/mg Protein nach 2 h. Die Zellaufnahme der Verbindung CKIE ist geringer, sollte allerdings für eine in vivo-Anwendung ausreichend sein. Die Untersuchung der in vivo‑Stabilität der Verbindungen [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE im Blut von Wistar Ratten ergab allerdings, dass alle Verbindungen schnell metabolisiert werden. Die Untersuchung der Bioverteilung der radioiodierten Verbindungen belegen eine in vivo Radiodeiodierung sowie eine hohe hepatobliliäre Auscheidungsrate. Im Hinblick auf eine Anwendung als Radiotracer konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Erkenntnisse gewonnen werden. Die dargestellten Inhibitoren sind in der Lage am Zellmodell den Zellzyklusarrest in der G1-Phase zu induzieren. Eine Radiomarkierung der ausgewählten Strukturen liefert das Produkt mit reproduzierbarer Ausbeute in hoher radiochemischer Reinheit und ausreichender spezifischer Aktivität, allerdings ist eine Herstellung der fluorethylierten Verbindung unter GMP-Bedingungen nur schwer realisierbar. Die radiomarkierten Verbindungen zeigen eine hohe in vitro-Stabilität und werden energieabhängig in die Zelle aufgenommen. Anhand der Stabilitätsuntersuchungen in vivo wurde gezeigt, dass alle drei Verbindungen in vivo instabil sind und sehr schnell hepatobiliär eliminiert.

<p>Despite advancements in therapies, such as surgery, irradiation (IR) and chemotherapy, outcome for patients suffering from glioblastoma (GBM) remains fatal; the median survival time is only about 15 months. Even with novel therapeutic targets, networks and signaling pathways being discovered, monotherapy with such agents targeting such pathways has been disappointing in clinical trials. Poor prognosis for GBM can be attributed to several factors, including failure of drugs to cross the blood-brain-barrier (BBB), tumor heterogeneity, invasiveness, and angiogenesis. Development of tumor resistance, particularly to temozolomide (TMZ) and IR, creates a substantial clinical challenge.</p><p> </p><p>The primary focus of the work described herein was to develop a modeling and simulation approach that could be applied to rationally develop novel combination therapies and dose regimens that mitigate resistance development. Specifically, TMZ was combined with small molecule inhibitors that are either currently in clinical trials or are approved drugs for other cancer types, and which target the disease at various resistance signaling pathways that are induced in response to TMZ monotherapy. To accomplish this objective, an integrated PKPD modeling approach was used. A PK model for each drug was first defined. PK models were subsequently linked to a PD model description of tumor growth dynamics in the presence of a single drug or combinations of drugs. A key outcome of these combined PKPD models was tumor static concentration (TSC) curves of TMZ in combination with small molecule inhibitors that identify combination drug exposures predicted to arrest tumor growth. This approach was applied to TMZ in combination with abemaciclib (a dual CDK4/6 small molecule inhibitor) based on data from a published study evaluating abemaciclib (ACB) efficacy in combination with TMZ in a U87 GBM xenograft model. TSC was also constructed for TMZ in combination with RG7388 (MDM2 inhibitor) based on the data from an in-vivo study that evaluated effects on tumor growth suppression of these small molecule inhibitors in combination with TMZ in GBM 10 patient derived xenografts.</p><p>In GBM 43 mouse xenografts, emergence of resistance to TMZ treatment was identified. Thus, a resistance integrated PKPD model was developed to predict tumor growth kinetics after treatment with TMZ in GBM 43 tumors. Population PK models in immune deficient NOD.Cg-<em>Prkdc^scid Il2rg^tm1Wjl</em>/SzJ (NSG) mice for TMZ and small molecule inhibitors (GDC0068/RG7112) were developed based on a combination of data obtained from an in-vivo study and published sources. Subsequently, PK models were linked to tumor volume data obtained from GBM 43 subcutaneous xenografts. Model parameters quantifying tumor volume dynamics were precisely estimated (coefficient of variation < 40%) compared to a base tumor growth inhibition model in GBM 43 that did not incorporate resistance development. Graphical diagnostics of the resistance incorporated PKPD tumor growth inhibition model demonstrated a superior fit compared to the base model, and accurately captured the emergence of resistance to the TMZ monotherapy treatment observed in the GBM 43 patient derived xenograft model.</p>