京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第22688号 / 医博第4632号 / 新制||医||1045(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 武藤 学, 教授 小川 誠司, 教授 溝脇 尚志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

[ES] La presente tesis doctoral titulada "La terapia senolítica como nuevo enfoque terapéutico para la prevención de la cardiotoxicidad inducida por la doxorrubicina" se centra en explorar la eliminación de células senescentes (senolisis) in vitro e in vivo mediante la administración del fármaco senolítico, navitoclax, como opción terapéutica para prevenir la cardiotoxicidad asociada al tratamiento antitumoral con doxorrubicina. La exposición a doxorrubicina afecta gravemente a la población de células cardíacas tanto en ratones como en corazones humanos al inducir senescencia prematura y navitoclax es uno de los senolíticos más potentes y ampliamente conocido en el campo de la senescencia celular pero su administración está asociada a la aparición de efectos adversos, principalmente trombocitopenia. Con el objetivo de mejorar el perfil terapéutico del fármaco, se han desarrollado dos estrategias específicamente dirigidas a células senescentes que incluyen la encapsulación y el desarrollo de un profármaco basado en navitoclax. En la primera sección experimental, abordamos la inducción de senescencia en un modelo in vitro de cardiomiocitos y evaluamos la terapia senolítica como estrategia terapéutica. Desarrollamos y caracterizamos, así mismo, las nanopartículas y la prodroga basada en navitoclax. Este nanodispositivo senolítico se basa en MSNs cargadas con navitoclax y funcionalizadas con un hexa-galacto-oligosacárido (galactán). Por su parte, la prodroga se obtiene tras la conjugación del navitoclax a una molécula de galactosa acetilada. En ambos casos, el mecanismo de la terapia dirigida radica en la presencia de la enzima lisosomal ß-galactosidasa, la cual presenta mayor expresión en las células senescentes. Al entrar en el lisosoma de células senescentes, los enlaces glicosídicos se hidrolizan por acción de la enzima, liberando el fármaco para su función. Los resultados muestran un aumento del efecto terapéutico del fármaco libre. A continuación, ponemos a punto un modelo murino de cardiotoxicidad donde demostramos que la administración sistémica de doxorrubicina induce la expresión de marcadores de cardiotoxicidad y senescencia en el corazón de ratones tratados y contribuye al deterioro de la función cardíaca de los animales seguido por ecografía. En este modelo preclínico, el tratamiento combinado de doxorrubicina con el senolítico navitoclax, en las diferentes formulaciones descritas, conduce a la disminución significativa de los marcadores de senescencia y cardiotoxicidad junto con el restablecimiento de la función cardíaca y, se observa, de manera similar con las tres estrategias mencionadas: fármaco libre, fármaco encapsulado y fármaco en formulación de prodroga. Los resultados científicos presentados en esta tesis resaltan el papel de la senescencia en la progresión de cardiotoxicidad por la administración de doxorrubicina y se concluye que los sistemas senolíticos aquí evaluados podrían ser una herramienta importante para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas en el campo de la prevención de efectos secundarios asociados a terapia. / [CA] La present tesi doctoral titulada "La teràpia senolítica com a nou enfocament terapèutic per a la prevenció de la cardiotoxicitat induïda per la doxorrubicina" se centra en explorar l'eliminació de cèl·lules senescents (senolisis) in vitro i in vivo mitjançant l'administració del fàrmac senolític, navitoclax, com a opció terapèutica per a previndre la cardiotoxicitat associada al tractament antitumoral amb doxorrubicina. L'exposició a doxorrubicina afecta greument a la població de cèl·lules cardíaques tant en ratolins com en cors humans en induir senescència prematura y navitoclax és un dels senolítics més potents i àmpliament conegut en el camp de la senescència cel·lular però la seua administració està associada a l'aparició d'efectes adversos, principalment trombocitopenia. Amb l'objectiu de millorar el perfil terapèutic del fàrmac, s'han desenvolupat dues estratègies específicament dirigides a cèl·lules senescents que inclouen l'encapsulació i el desenvolupament d'un profàrmac basat en navitoclax. En la primera secció experimental, abordem la inducció de senescència en un model in vitro de cardiomiòcits i avaluem la teràpia senolítica com a estratègia terapèutica. Desenvolupem i caracteritzem, així mateix, les nanopartícules i la prodroga basada en navitoclax. Aquest nanodispositiu senolític es basa en MSNs carregades amb navitoclax i modificades amb un hexa-galacto-oligosacàrid (galactán). Per part seua, la prodroga s'obté després de la conjugació del navitoclax a una molècula de galactosa acetilada. En tots dos casos, el mecanisme de la teràpia dirigida radica en la presència de l'enzim lisosòmic ß-galactosidasa, la qual presenta major expressió en les cèl·lules senescents. En entrar en el lisosoma de cèl·lules senescents, els enllaços glicosídics s'hidrolitzen per acció de l'enzim, alliberant el fàrmac per a la seua funció. Els resultats mostren un augment de l'efecte terapèutic del fàrmac lliure. A continuació, posem a punt un model de ratolí on vam demostrar que l'administració sistèmica de doxorrubicina indueix l'expressió de marcadors de cardiotoxicitat i senescència en el cor de ratolins tractats i contribueix a la deterioració de la funció cardíaca dels animals seguit per ecografia. En aquest model preclínic, el tractament combinat de doxorrubicina amb el senolític navitoclax, en les diferents formulacions descrites, condueix a la disminució significativa dels marcadors de senescència i cardiotoxicitat juntament amb el restabliment de la funció cardíaca i, s'observa, de manera similar amb les tres estratègies esmentades: fàrmac lliure, fàrmac encapsulat i fàrmac en formulació de prodroga. Els resultats científics presentats en aquesta tesi ressalten el paper de la senescència en la progressió de cardiotoxicitat per l'administració de doxorrubicina i es conclou que els sistemes senolítics ací avaluats podrien ser una eina important per al desenvolupament de noves estratègies terapèutiques en el camp de la prevenció d'efectes secundaris associats a teràpia. / [EN] The present PhD thesis entitled " Pharmacological senolysis as a new therapeutic approach for the prevention of doxorubicin-induced cardiotoxicity" focuses on exploring the elimination of senescent cells (senolysis) in vitro and in vivo by administration of the senolytic drug, navitoclax, as a therapeutic option to prevent cardiotoxicity associated with antitumor treatment with doxorubicin. Doxorubicin exposure severely affects the cardiac cell population in both mouse and human hearts by inducing premature senescence and navitoclax is one of the most potent and widely known senolytics in the field of cellular senescence, but its administration is associated with the occurrence of adverse effects, mainly thrombocytopenia. In the first experimental section, we addressed the induction of senescence in an in vitro cardiomyocyte model and evaluated senolytic therapy as a therapeutic strategy. We also developed and characterized the nanoparticles targeting senescent cells and the navitoclax-based prodrug. The senolytic nanodevice is based on MSNs loaded with navitoclax and functionalized with a hexa-galacto-oligosaccharide (galactan). The prodrug is obtained after conjugation of navitoclax to an acetylated galactose molecule. In both cases, the mechanism of targeted therapy lies in the presence of the lysosomal enzyme ß-galactosidase, which is highly expressed in senescent cells. Upon entering the lysosome of senescent cells, the glycosidic bonds are hydrolyzed by the action of the enzyme, releasing the drug. The results show an increase in the therapeutic effect of the free drug. Next, we developed a murine model of cardiotoxicity in which we demonstrated that systemic administration of doxorubicin induces the expression of markers of cardiotoxicity and senescence in the heart of treated mice and contributes to the deterioration of the cardiac function of the animals followed by echocardiography. In this preclinical model, the combined treatment of doxorubicin with the senolytic navitoclax, in the different formulations described above, leads to significant decrease in senescence and cardiotoxicity markers along with restoration of cardiac function. Similar results were observed with the three strategies mentioned: free drug, encapsulated drug, and prodrug formulation. The scientific results presented in this thesis highlight the role of senescence in the progression of cardiotoxicity by doxorubicin administration and it is concluded that the senolytic systems evaluated here could be an important tool for the development of new therapeutic strategies in the field of prevention of therapy-associated side effects and represent an alternative to the limitations of current treatments. / Lérida Viso, A. (2023). Pharmacological Senolysis as a New Therapeutic Approach for the Prevention of Doxorubicin-Induced Cardiotoxicity [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194709

La leucémie aiguë mégacaryocytaire (LAM7) est un sous-type rare de leucémie myéloïde aiguë (LMA). Son incidence est plus élevée chez les nouveau-nés et les jeunes enfants de moins de trois ans et elle est associée à un taux de survie globale faible et à un risque accru de rechute. Des gènes de fusion oncogéniques, récurrents et mutuellement exclusifs, sont considérés comme étant des évènements transformants dans les LAM7 pédiatriques et ils sont détectés dans plus de 70% des cas, tels que CBFA2T3::GLIS2 (CG2), NUP98::KDM5A et les réarrangements de KMT2A. De nouvelles thérapies ciblées sont urgemment requises pour améliorer les résultats des traitements. Cependant, la recherche dans le domaine est retardée par la rareté des échantillons primaires de patient causée par la faible incidence de la maladie et la myélofibrose fréquente de la moelle osseuse qui rend les prélèvements difficiles chez les patients. Nous avons surmonté la limitante du nombre d’échantillons restreints pour la recherche en développant avec succès des modèles synthétiques de LAM7 pédiatriques exprimant les gènes de fusion oncogéniques pertinents. Nous avons utilisé des cellules souches et progénitrices hématopoiétiques humaines CD34+ isolées de sang de cordon, transduites avec des particules lentivirales codant pour la fusion CG2 et générant six modèles synthétiques distincts de xénogreffes en souris immunodéficientes. Ces modèles reproduisent fidèlement la maladie humaine en termes d’expression génique, d’immunophénotype, d’ontogénie et de vulnérabilités thérapeutiques. Ces derniers peuvent être maintenus en culture optimisée in vitro et transplantés de façon sériée dans les souris, procurant un substrat essentiel pour effectuer des cribles pharmacologiques à haut débit de grande envergure pour identifier de nouveaux composés thérapeutiques. Au cours de ce projet, j’ai piloté un crible pharmacologique de grande envergure avec près de 12,000 composés, incluant 2,000 molécules approuvées par la FDA, contribuant à démontrer que les échantillons LAM7 sont vulnérables à la perte de fonction génétique (knock-down) et à l’inhibition pharmacologique du facteur pro-survie BCL-XL par le BH3 mimétique navitoclax ou le dégradeur protéosomal DT2216. Par ailleurs, les échantillons LAM7 exprimant la fusion CG2 sont hautement sensibles aux inducteurs de l’apoptose classifiés comme les mimétiques de SMAC, tel que le LCL-161, une nouvelle piste inexplorée dans les LAM7. J’ai aussi étudié les rôles de facteurs pro-survie sélectionnés de la famille BCL2 dans les échantillons de LAM7 et LMA, révélant que la dépendance aux différentes protéines pro-survie est spécifique au génotype et au sous-type de LMA. Finalement, j’ai investigué le potentiel synergique de combinaisons de composés comme différents BH3 mimétiques ou des inhibiteurs de BCL-XL jumelés à de faibles doses de cytarabine. J’ai démontré que ces combinaisons étaient hautement efficaces et elles pourraient offrir de nouvelles alternatives pour le traitement des LMA pédiatriques de haute fatalité. En résumé, la génération de nouveau modèles humains de LAM7 de haute fatalité a fait progresser la recherche translationnelle et nous a permis de bénéficier d’une source inestimable d’échantillons pour réaliser des cribles pharmacologiques à grande échelle qui ont révélé de nouvelles vulnérabilités thérapeutiques pour développer des thérapies ciblées. / Acute megakaryoblastic leukemia (AMKL) is a rare subtype of acute myeloid leukemia (AML). It has the highest incidence in neonates and infants below three years of age and is associated with poor overall survival and high chance of relapse. Recurrent and mutually exclusive oncogenic fusions are considered to be the transforming event in pediatric AMKL and are detected in over 70% of cases, such as CBFA2T3::GLIS2 (CG2), NUP98::KDM5A and rearrangements of KMT2A. Novel and targeted therapies are urgently needed to improve treatment outcomes, however research in this field is hampered by the rarity of primary patient samples which is a result of the low disease incidence and common myelofibrosis in the bone marrow of patients that makes sample collection difficult. We overcame the limitation of restricted sample material for research by successfully engineering synthetic models of pediatric AMKL with the relevant oncogenic driver fusions. We used human CD34+ haematopoietic stem and progenitor cells collected from cord blood and transformed them with lentiviral particles carrying the CG2 fusion, thus generating six distinct synthetic models xenografted in immunodeficient mice that phenocopy the human disease in terms of gene expression, immunophenotype, ontogeny and therapeutic vulnerabilities. These models can be maintained in optimised in vitro cultures and serially transplant in mice, which provided us with essential material for conducting large scale high-throughput chemical screens to identify novel compounds for therapy. Moreover in this project, I conducted a large chemical screen with around 12,000 compounds, including 2,000 FDA-approved molecules, which highlighted that AMKL samples are vulnerable towards genetic knock-down and pharmacological inhibition of pro-survival factor BCL-XL by BH3 mimetic navitoclax or proteasomal degrader DT2216. In addition, AMKL samples with the CG2 fusion were highly susceptible to inducers of apoptosis classified as SMAC mimetics, namely LCL-161, a novel and yet unexplored finding in AMKL. I further investigated the role of selected pro-survival factors of the BCL2 family in samples of AMKL and AML and uncovered that the reliance on different pro-survival proteins is geno- and subtype-specific in AML. Furthermore, I investigated the potential of synergistic drug combinations with different BH3 mimetics or BCL-XL inhibition with low-dose cytarabine, and demonstrated that those combinations are highly effective and could provide novel options for the treatment of high-fatality pediatric AML. In summary, the generation of novel human models of high-fatality AMKL advanced translational research and provided us with invaluable sample material for large chemical screens that highlighted novel therapeutic vulnerabilities for targeted therapies.

[ES] Esta tesis doctoral titulada "Evaluación preclínica de estrategias basadas en la senescencia para mejorar la terapia contra el cáncer" se centra en explotar la senescencia como opción terapéutica en los tratamientos contra el cáncer mediante el diseño, la síntesis y la evaluación in vitro e in vivo de varios nanodispositivos y profármacos, así como la identificación de un nuevo fármaco senolítico. En el primer capítulo experimental evaluamos el efecto negativo de la senescencia endotelial en el contexto tumoral y la consecuencia de su eliminación mediante el uso del senolítico navitoclax. Comprobamos que el tratamiento sistémico con palbociclib en un modelo ortotópico de cáncer de mama en ratones induce senescencia en las células endoteliales vasculares, generando un endotelio alterado funcionalmente que favorece la migración de células cancerosas. La recuperación de la funcionalidad endotelial se consigue con una estrategia terapéutica que, tras la inducción de senescencia con palbociclib, elimina las células senescentes (senólisis) con la nanopartícula (NP(nav)-Gal). En el modelo preclínico, el tratamiento combinado de palbociclib con NP(nav)-Gal disminuyó la senescencia endotelial en venas, así como los nódulos metastásicos en los pulmones. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, el capítulo dos se describe una estrategia terapéutica en dos pasos similar a la anterior para cáncer de mama triple negativo. En este caso se emplea un modelo de ratón implantado con xenoinjertos humanos de este tipo de cáncer para evaluar el efecto de la terapia combinada de palbociclib y navitoclax. Para superar los efectos secundarios del tratamiento con navitoclax (principalmente trombocitopenia), evaluamos el efecto del profármaco nav-Gal. La senescencia inducida por la terapia con palbociclib, seguida de una terapia adyuvante con navitoclax o nav-Gal, provoca la eliminación sinérgica de las células senescentes tumorales y la reducción del crecimiento tumoral y de la metástasis pulmonar en el modelo utilizado de ratones con xenoinjertos de cáncer de mama humano agresivo. El capítulo tres se centra en el diseño y el desarrollo de un nuevo sistema de comunicación de nanopartículas por estigmergía para mejorar la terapia tumoral en el cáncer de mama. La comunicación de nanopartículas por estigmergía consiste en un sistema secuencial de dos nanopartículas en la que la primera modifica el entorno permitiendo que la segunda nanopartícula pueda actuar. Para ello, nos basamos de nuevo en una terapia en dos pasos, siendo el primer paso la inducción de senescencia con palbociclib en las células tumores y el segundo su posterior eliminación con navitoclax. Con este objetivo, se prepararon dos nanodispositivos: el primer nanodispositivo (NP(palbo)PEG-MUC1) se cargó con palbociclib y se funcionalizó con un aptámero dirigido a la proteína de superficie MUC1, frecuentemente sobreexpresada en las células tumorales de mama; para el segundo nanodispositivo se empleó la nanopartícula senolítica NP(nav)-Gal. Cuando ambas nanopartículas se administraron secuencialmente se consiguió un efecto aumentado, retrasando el crecimiento tumoral y reduciendo las metástasis en pulmón en el modelo descrito previamente de ratones con xenoinjerto hTNBC. En el último capítulo identificamos un nuevo agente senolítico (H14) que puede eliminar a las células tumorales senescentes de melanoma con una eficacia y seguridad óptima in vivo. Para ello, se realizó un cribado de una biblioteca combinatoria de hexapéptidos de D-aminoácidos en células senescentes de melanoma SK-Mel-103, en las que la inducción de la senescencia se había producido mediante el tratamiento con palbociclib. El tratamiento combinado de palbociclib y el hexapéptido H14 logró una mejora en la eliminación de células tumorales senescentes in vivo, así como en la reducción del crecimiento tumoral, alcanzando efectos similares al tratamiento combinado de palbociclib con navitoclax. / [CA] Aquesta tesi doctoral titulada "Avaluació preclínica d'estratègies basades en la senescència per millorar la teràpia contra el càncer" se centra a explotar la senescència com a opció terapèutica en els tractaments contra el càncer mitjançant el disseny, la síntesi i l'avaluació in vitro i in vivo diversos nanodispositius i profàrmacs, així com la identificació d'un nou fàrmac senolític. Al primer capítol experimental avaluem l'efecte negatiu de la senescència endotelial en el context tumoral i la conseqüència de la seva eliminació mitjançant l'ús del senolític navitoclax. Comprovem que el tractament sistèmic amb palbociclib en un model ortotòpic de càncer de mama en ratolins indueix senescència a les cèl·lules endotelials vasculars, generant un endoteli alterat funcionalment que afavoreix la migració de cèl·lules canceroses. La recuperació de la funcionalitat endotelial s'aconsegueix amb una estratègia terapèutica que, després de la inducció de senescència amb palbociclib, elimina les cèl·lules senescents (senòlisi) amb la nanopartícula (NP(nav)-Gal). En el model preclínic, el tractament combinat de palbociclib amb NP(nav)-Gal va disminuir la senescència endotelial en venes, així com els nòduls metastàsics als pulmons. Tenint en compte els resultats obtinguts, el capítol dos es descriu una estratègia terapèutica en dos passos similar a l'anterior per al càncer de mama triple negatiu. En aquest cas es fa servir un model de ratolí implantat amb xenoempelts humans d'aquest tipus de càncer per avaluar l'efecte de la teràpia combinada de palbociclib i navitoclax. Per superar els efectes secundaris del tractament amb navitoclax (principalment trombocitopènia), avaluem l'efecte del profàrmac nav-Gal. La senescència induïda per la teràpia amb palbociclib, seguida d'una teràpia adjuvant amb navitoclax o nav-Gal, provoca l'eliminació sinèrgica de les cèl·lules senescents tumorals i la reducció del creixement tumoral i de la metàstasi pulmonar en el model utilitzat de ratolins amb xenoempelts de càncer de mama humà agressiu. El capítol tres se centra en el disseny i desenvolupament d'un nou sistema de comunicació de nanopartícules per estigmergia per millorar la teràpia tumoral al càncer de mama. La comunicació de nanopartícules per estigmergia consisteix en un sistema seqüencial de dues nanopartícules on la primera modifica l'entorn permetent que la segona nanopartícula pugui actuar. Per això, ens basem de nou en una teràpia en dos passos, sent el primer pas la inducció de senescència amb palbociclib a les cèl·lules tumors i el segon la posterior eliminació amb navitoclax. Amb aquest objectiu, es van preparar dos nanodispositius: el primer nanodispositiu (NP(palbo)PEG-MUC1) es va carregar amb palbociclib i es va funcionalitzar amb un aptàmer dirigit a la proteïna de superfície MUC1, freqüentment sobreexpressada a les cèl·lules tumorals de mama; per al segon nanodispositiu es va emprar la nanopartícula senolítica NP(nav)-Gal. Quan ambdues nanopartícules es van administrar seqüencialment es va aconseguir un efecte augmentat, endarrerint el creixement tumoral i reduint les metàstasis en pulmó en el model descrit prèviament de ratolins amb xenoempelt hTNBC. A l'últim capítol identifiquem un nou agent senolític (H14) que pot eliminar les cèl·lules tumorals senescents de melanoma amb una eficàcia i seguretat òptima in vivo. Per fer-ho, es va realitzar un cribratge d'una biblioteca combinatòria d'hexapèptids de D-aminoàcids en cèl·lules senescents de melanoma SK-Mel-103, on la inducció de la senescència s'havia produït mitjançant el tractament amb palbociclib. El tractament combinat de palbociclib i l'hexapèptid H14 va aconseguir una millora en l'eliminació de cèl·lules tumorals senescents in vivo, així com en la reducció del creixement tumoral, aconseguint efectes similars al tractament combinat de palbociclib amb navitoclax. / [EN] This PhD thesis entitled "Preclinical evaluation of senescence-based strategies to improve cancer therapy" focuses on exploiting senescence as a therapeutic option in cancer treatments through design, synthesis and in vitro and in vivo evaluation. of several nanodevices and prodrugs, as well as the identification of a new senolytic drug. In the first experimental chapter we evaluated the negative effect of endothelial senescence in the tumor context and the consequence of its elimination through the use of the senolytic navitoclax. We found that systemic treatment with palbociclib in an orthotopic model of breast cancer in mice induces senescence in vascular endothelial cells, generating a altered endothelium that favors the migration of cancer cells. Recovery of endothelial functionality was achieved, after palbociclib-senescence induction, by removal of senescent cells (senolysis) with navitoclax-loaded nanoparticles (NP(nav)-Gal). In a preclinical model, the combined treatment of palbociclib with NP(nav)-Gal decreased endothelial senescence in veins as well as in metastatic nodules in the lungs. Taking into account the results obtained, chapter two describes a similar therapeutic strategy for triple-negative breast cancer. In this case, a human xenograft mice model was employed to evaluate the effect of combined therapy of palbociclib plus navitoclax. To overcome the side effects of navitoclax treatment (mainly thrombocytopenia), we evaluated the effect of the prodrug nav-Gal. Palbociclib therapy-induced senescence, followed by adjuvant navitoclax or nav-Gal therapy, resulted in synergistic clearance of senescent tumor cells and reduction of tumor growth and lung metastasis in the xenograft mice model of aggressive human TNBC. Chapter three focuses on the design and development of a new stigmergy nanoparticle communication system to improve tumor therapy in breast cancer. The communication of nanoparticles by stigmergy consists of a sequential system of two nanoparticles in which the first modifies the environment allowing the second nanoparticle to act. To do this, we again rely on a two-step therapy, the first step being the induction of senescence with palbociclib in tumor cells and the second its subsequent elimination with navitoclax. To this end, two nanodevices were prepared: the first nanodevice (NP(palbo)PEG-MUC1) was loaded with palbociclib and functionalized with an aptamer targeting the surface protein MUC1, frequently overexpressed in breast tumor cells; for the second nanodevice, the senolytic nanoparticle NP(nav)-Gal was used. When both nanoparticles were administered sequentially, an increased effect was achieved, delaying tumor growth and reducing lung metastases in the previously described model of hTNBC xenograft mice. In the last chapter we identified a new senolytic agent (H14) that can kill senescent melanoma tumor cells with optimal efficacy and safety in vivo. For this, a combinatorial library of D-amino acid hexapeptides was screened in senescent SK-Mel-103 melanoma cells, in which senescence induction had occurred by treatment with palbociclib. The combined treatment of palbociclib and H14 hexapeptide achieved an improvement in the elimination of senescent tumor cells in vivo, as well as in the reduction of tumor growth, reaching similar effects to the combined treatment of palbociclib and navitoclax. Future breakthroughs in the field of cellular senescence treatment are expected. We hope that the results achieved in this PhD thesis will open new research opportunities and inspire the development of advanced strategies with smart nanodevices and prodrugs for their application in the field of cellular senescence and other different biomedical areas and in sensing and communication technologies to solve patient needs. / Estepa Fernández, A. (2022). Preclinical evaluation of senescence-based strategies to improve cancer therapy [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188845

[ES] Esta tesis doctoral titulada "Desarrollo y validación de nuevas estrategias senolíticas para la selección y eliminación de células senescentes" se centra en el diseño, síntesis y validación de nanodispositivos y profármacos para eliminar células senescentes, con el objetivo de tratar enfermedades relacionadas con el envejecimiento y el cáncer. En el primer capítulo experimental, presentamos un nanodispositivo para eliminar selectivamente células senescentes explotando la actividad enzimática específica del secretoma senescente. Los resultados mostraron que tras la inducción de senescencia en fibroblastos WI-38 proliferantes con radiación ionizante, las células secretan altos niveles de metaloproteinasa de matriz 3 (MMP-3). Basándose en esto, se cargaron MSNs con navitoclax y se recubrieron con un péptido específico de MMP-3 ( "puerta molecular"), obteniendo NPs(Nav)@MMP-3. Los estudios celulares demostraron una liberación preferencial de la carga en células senescentes en comparación con células proliferantes. Además, el tratamiento de células senescentes con NPs(Nav)@MMP-3 indujo una disminución de la viabilidad celular similar a la del navitoclax, mientras que se observó un efecto protector sobre las células proliferantes. Partiendo de estos resultados en el segundo capítulo experimental describimos una nanopartícula para terapia senolítica mediada por células inmunitarias. Para ello, las nanopartículas recubiertas con el péptido específico de MMP-3 se decoraron con la quimioquina CXCL12 (NPs@CXCL12), potenciando el reclutamiento de células inmunitarias al microambiente senescente. Se verificó la liberación progresiva y específica de la proteína CXCL12 en presencia de MMP-3 mediante ensayos de liberación controlada. Posteriormente, se confirmó la capacidad de las nanopartículas para atraer células T Jurkat a un microambiente senescente mediante ensayos de migración. Los resultados revelaron que las NPs@CXCL12 ejercían un efecto quimiotáctico más significativo que la CXCL12 libre. Además, también se evaluó la capacidad de las células asesinas naturales primarias humanas para eliminar WI-38 senescentes, y se monitorizaron sus trayectorias de migración en respuesta a NPs@CXCL12 o CXCL12 libre utilizando un dispositivo de microfuídica. En el capítulo experimental tres, nos centramos en el diseño de un nanodispositivo dirigido al surfaceoma senescente. En concreto, demostramos que la inducción de la senescencia con palbociclib en células de melanoma humano desarrollaba un fenotipo senescente con sobreexpresión de dipeptidil peptidasa-4 (DPP4).Aquí, se cargaron MSNs con navitoclax, se cubrieron con polietilenglicol que contiene disulfuro ("puerta molecular" sensible a redox) y se funcionalizaron con un anticuerpo contra DPP4. La eficacia de las NPs(Nav)@DPP4-PE en la detección y eliminación de células senescentes se validó in vitro e in vivo utilizando un modelo murino de melanoma senescente inducido por palbociclib. El tratamiento redujo significativamente el crecimiento tumoral y eliminó preferentemente las células senescentes. En el cuarto capítulo experimental, investigamos el potencial de la terapia fotodinámica para la detección y eliminación de células senescentes. Para ello, se sintetizó un fotosensibilizador (compuesto 1) basado en boro-dipirrometeno (BODIPY) activado con ß-galactosidasa asociada a senescencia (SA-ß-gal). El compuesto 1 permanece inactivo hasta que la hidrólisis de la galactosa por la enzima SA-ß-gal restaura la emisión de fluorescencia y la generación de oxígeno singlete. La restauración de la fluorescencia, la capacidad de producir especies reactivas de oxígeno y de matar células senescentes en presencia de luz en el compuesto 1 se demostró en modelos de senescencia inducida por terapia in vitro e in vivo. Además, los estudios revelaron que el compuesto 1 desencadena un potente efecto senolítico tras la irradiación de tumores senescentes en modelos de ratón. / [CA] Esta tesi doctoral titulada "Desenvolupament i validació de noves estratègies senolítiques per a la selecció i eliminació de cèl·lules senescents" se centra en el disseny, síntesi i validació de nanodispositius i profàrmacs per a eliminar cèl·lules senescents, amb l'objectiu de tractar malalties relacionades amb l'envelliment i el càncer. En el primer capítol experimental, presentem un nanodispositiu per a eliminar selectivament cèl·lules senescents explotantl'activitat enzimàtica específica del secretoma senescent. Els resultats van mostrar que després de la inducció de senescència en fibroblasts WI-38 proliferants amb radiació ionitzant, les cèl·lules secreten alts nivells de metaloproteinasa de matriu 3 (MMP-3). Basant-se en això, es van carregar MSNs amb navitoclax i es van recobrir amb un pèptid específic de MMP-3 ("porta molecular"), obtenint NPs(Nav)@MMP-3. Els estudis cel·lulars van demostrar un alliberament preferencial de la càrrega en cèl·lules senescents en comparació amb cèl·lules proliferants. A més, el tractament de cèl·lules senescents amb NPs(Nav)@MMP-3 va induir una disminució de la viabilitat cel·lular similar a la del navitoclax, mentres que es va observar un efecte protector sobre les cèl·lules proliferants. Partint déstos resultats en el segon capítol experimental descrivim una nanopartícula per teràpia senolítica mediada per cèl·lules immunitàries. Per a això, les nanopartícules recobertes amb el pèptid específic de MMP-3 es van decorar amb la quimioquina CXCL12 (NPs@CXCL12), potenciant el reclutament de cèl·lules immunitàries al microambient senescent. Ees va verificar l'alliberament progressiu i específic de la proteïna CXCL12 de la bastida en presència de MMP-3 mitjançant assajos d'alliberament controlat. Posteriorment, es va confirmar la capacitat de les nanopartícules per a atraure cèl·lules T Jurkat a un microambient senescent mitjançant assajos de migració. Els resultats van revelar que les NPs@CXCL12 exercien un efecte quimiotàctic més significatiu que la CXCL12. A més, també es va avaluar la capacitat de les cèl·lules assassines naturals primàries humanes per a eliminar WI-38 senescents, i es van monitorar les seues trajectòries de migració en resposta a NPs@CXCL12 o CXCL12 utilitzant un dispositiu de microfuidica. En el capítol experimental tres, ens centrem en el disseny d'un nanodispositiu dirigit al surfaceoma senescent. En concret, vam demostrar que la inducció de la senescència amb palbociclib en cèl·lules de melanoma humà presentava un fenotip senescent amb sobreexpresión de dipeptidil peptidasa-4 (DPP4). Basant-se en esta troballa, es van carregar MSNs amb navitoclax, es van cobrir amb polietilenglicol que conté disulfur, ("porta molecular" sensible a redox) i es van funcionalitzar amb un anticòs contra DPP4. L'eficàcia de les NPs(Nav)@DPP4-PE en la detecció i eliminació de cèl·lules senescents es va validar in vitro i in vivo utilitzant un model murin de melanoma senescent induït per palbociclib.El tractament va reduir significativament el creixement tumoral i va eliminar preferentment les cèl·lules senescents, com van indicar els biomarcadores de senescència analitzats. En el quart capítol experimental, investiguem el potencial de la teràpia fotodinámica per a la detecció i eliminació de cèl·lules senescents. Per a això, es va sintetitzar un fotosensibilizador (compost 1) basat en bor-dipirrometeno activat amb ß-galactosidasa associada a senescència (SA-ß-gal). El 1 roman inactiu fins que la hidròlisi de la galactosa per SA-ß-gal restaura l'emissió de fluorescència i la generació d'oxigen singlete. La restauració de la fluorescència, la capacitat de produir espècies reactives d'oxigen i de matar cèl·lules senescents en presència de llum en el 1 es va demostrar en models de senescència induïda per teràpia in vitro i in vivo. A més, els estudis van revelar que el 1 desencadena un potent efecte senolítico després de la irradiació de tumors senescents en models de ratolí. / [EN] This PhD thesis entitled "Development and validation of novel senolytic strategies for targeting and eliminating senescent cells" focuses on the design, synthesis, and validation of nanodevices and prodrugs to eliminate senescent cells, to treat diseases related to aging and cancer. In the first experimental chapter, we present a nanodevice to selectively remove senescent cells by exploiting the specific enzymatic activity of the senescent secretome. The results showed that after the induction of senescence in proliferating WI-38 fibroblasts with ionizing radiation, the cells secrete high levels of matrix metalloproteinase-3 (MMP-3). Based on this, MSNs were loaded with navitoclax and coated with a specific peptide; a substrate of MMP-3 (gatekeeper), yielding NPs(Nav)@MMP-3. Cellular studies demonstrated preferential cargo release in senescent cells compared to proliferating cells. Furthermore, treatment of senescent cells with NPs(Nav)@MMP-3 induced a decrease in cell viability similar to that of free navitoclax, while a protective effect on proliferating cells was observed. Building on these results, in the second experimental chapter, we describe a nanoparticle for immune cell-mediated senolytic therapy. To this end, MSNs coated with the specific peptide MMP-3 were decorated with the chemokine CXCL12 (NPs@CXCL12), enhancing immune cells' recruitment to the senescent microenvironment. First, the progressive and specific release of CXCL12 protein from the scaffold in the presence of MMP-3 was verified by controlled release assays. Subsequently, the ability of the nanoparticles to attract Jurkat T cells to a senescent microenvironment was confirmed by migration assays. The results revealed that NPs@CXCL12 exerted a more significant chemotactic effect than free CXCL12. In addition, the ability of human primary natural killer cells to clear senescent WI-38 was also evaluated, and their migration trajectories were monitored in response to NPs@CXCL12 or free CXCL12 using a microfluidic device. In experimental chapter three, we focused on the design of a nanodevice targeting senescent surfaceome. Specifically, the research proved that the induction of senescence with palbociclib in human melanoma cells developed a senescent phenotype characterized by the up-regulated expression of dipeptidyl peptidase 4 (DPP4). Based on this finding, MSNs were loaded with navitoclax, capped with disulfide-containing polyethylene glycol (redox-sensitive gatekeeper) and finally functionalized with an antibody that recognized the DPP4 protein. The efficacy of NPs(Nav)@DPP4-PE in detecting and eliminating senescent cells was validated in vitro and in vivo using a mouse model of palbociclib-induced senescent melanoma. Furthermore, treatment of mice with the DPP4-targeted nanoparticle significantly reduced tumor growth, and preferentially removed senescent cells, as indicated by the senescence biomarkers analyzed. In the fourth experimental chapter, we investigated the potential of photodynamic therapy for the detection and eradication of senescent cells. For this purpose, a boron dipyrromethene-based photosensitizer (BODIPY) activated with senescent-associated ß-galactosidase (SA-ß-gal) (compound 1) was synthesized. Compound 1 contains a galactose moiety bound to a BODIPY, so it remains inactive until galactose hydrolysis by the SA-ß-gal enzyme restores fluorescence emission and singlet oxygen generation. The restoration of fluorescence, the ability to produce reactive oxygen species, and to kill senescent cells in the presence of light in compound 1 was demonstrated in models of therapy-induced senescence in vitro and in vivo. Furthermore, studies in palbociclib-induced senescent melanoma mouse models reveal that the galactose-conjugated photosensitizer triggers a potent senolytic effect upon irradiation of senescent tumors. / This research was supported by projects PID2021-126304OB-C41 and PID2021-128141OB-C22 funded by MCIN/ AEI /10.13039/501100011033/ and by EuropeanRegional Development Fund - A way of doing Europe. This study was also supported byGeneralitat Valenciana (CIPROM/2021/007). This research was supported by CIBER(CB06/01/2012), Instituto de Salud Carlos III, and Ministerio de Ciencia e Innovación. Thiswork was also supported by the European Research Council (ERC) via Advanced Grant (101052997, EDISON). B.E-N. is grateful to the Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) for the grant through the project “IFI19/00026”, co-funded by the European Union and the company Senolytic Therapeutics S.L for the support. E.G. is grateful to the Spanish MIU and European Union-Next Regeneration EU for her “Margarita Salas” postdoctoral grant (UP2021-036). / Escriche Navarro, B. (2025). Development and validation of novel senolytic strategies for targeting and eliminating senescent cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214794