Hintergrund und Fragestellung: Seit der Zulassung des Tyrosinkinase-Inhibitors (TKI) Imatinib im Jahre 2001 hat sich die Therapie der chronisch myeloischen Leukämie (CML) grundlegend verändert. Imatinib inhibiert die konstitutiv aktive Tyrosinkinase BCR-ABL, welche die verstärkte Proliferation der leukämischen Zellen und die Entwicklung der CML bedingt. Das sehr gute klinische Ansprechen auf eine Imatinib-Behandlung resultierte in einer beschleunigten Zulassung dieses TKI auch bei pädiatrischen Patienten im Jahre 2003. Aufgrund von Punktmutationen und/oder strukturellen Änderungen innerhalb des BCR-ABL Fusionsproteins können sich Resistenzen gegenüber Imatinib entwickeln. Deshalb wurden Zweit- und Drittgenerations TKI wie Dasatinib und Bosutinib entwickelt.
Imatinib wirkt nicht hoch spezifisch und hemmt neben BCR-ABL auch weitere Tyrosinkinasen, wie z.B. c-KIT, PDGF-R und c-FMS, welche am Knochenstoffwechsel beteiligt sind. Die Stimulation des Rezeptors c-FMS bewirkt die Differenzierung monozytärer Vorläuferzellen in knochenabbauende Osteoklasten. Zusätzlich unterliegt die Entwicklung der knochenaufbauenden Osteoblasten spezifischen Signalkaskaden an denen PDGF-R und c-Abl beteiligt sind. Als Nebenwirkung einer TKI-Therapie beeinträchtigt die Inhibition dieser Signaltransduktionswege somit das Knochen-“Remodelling“, indem die Entwicklung und funktionelle Aktivität von Osteoklasten reduziert wird. Gleichzeitig wird die Aktivität von Osteoblasten gestärkt, aber deren Proliferation inhibiert. Diese Dysbalance von Knochenaufbau und -abbau mit gestörter Kalziumhomöostase bedingt bei erwachsenen CML-Patienten veränderte endokrinologische Parameter des Kalziumhaushaltes, eine vermehrte Knochenmineralisation und eine erhöhte trabekuläre Knochendichte. Dagegen wurden bei pädiatrischen CML-Patienten unter Imatinib-Therapie Längenwachstumsstörungen beobachtet, welche bezüglich des Wirkmechanismuses von Imatinib auf den wachsenden Knochen bis heute noch nicht im Detail geklärt sind. Spekulativ ist auch, ob Zweit- und Drittgenerations-TKI ebenso wie Imatinib den Knochenstoffwechsel bei pädiatrischen Patienten stören. Angelehnt an ein erfolgreiches Applikationsschema bei erwachsenen CML-Patienten steht zusätzlich die Frage im Raum, ob eine intermittierende Gabe von TKIs (einen Monat Therapie, einen Monat Pause) eine Minderung der Nebenwirkung auf den Knochen bewirken könnte, ohne die Wirkung auf die CML-Behandlung zu beeinträchtigen.
Vor diesem Hintergrund wurde ein Nagermodel etabliert, um Nebenwirkungen auf den Knochenstoffwechsel unter TKI-Exposition zu analysieren. Junge, wachsende Ratten wurden hierzu vom präpubertären Alter bis zur Adoleszenz kontinuierlich oder intermittierend mit den TKIs Imatinib, Dasatinib und Bosutinib exponiert und die Wirkung auf das wachsende Skelettsystem untersucht.
Methoden: 4 Wochen alte männliche Wistar Ratten wurden über einen Zeitraum von 10 Wochen chronisch mit jeweils einem der drei im Trinkwasser gelösten TKIs exponiert. Neben einer unbehandelten Kontrollkohorte erhielt eine Gruppe jeweils eine Standarddosis und eine hohe Dosis (entsprechend der doppelten Standarddosis) des entsprechenden TKIs kontinuierlich. Eine weitere Gruppe erhielt die hohe Dosis intermittierend (an drei aufeinanderfolgenden Tagen TKI, danach vier Tage nur Wasser). Die Konzentrationen im Trinkwasser betrugen für Imatinib 1 mM und 2 mM und für Dasatinib und Bosutinib jeweils 50 µM und 100 µM. Nach zweiwöchiger (präpubertär), vierwöchiger (pubertäres Stadium) und zehnwöchiger Exposition (postpubertär) wurden die Tiere aller Gruppen nekropsiert und Röhrenknochen, Lendenwirbel und Blut asserviert. Zur Beurteilung des Knochenmetabolismus wurden folgende Parameter erhoben: Knochenlängen, Knochendichten mittels pQCT, trabekuläre Strukturen mittels µCT, Knochenfestigkeit mittels des 3-Punkt-Biege-Test und endokrinologische Parameter im Serum mittels ELISA. Zusätzlich wurde der jeweilige TKI Serum-Spiegel bestimmt.
Ergebnisse: Die Gewichtsentwicklung, körperliche Entwicklung und das Sozialverhalten zeigten keine Unterschiede beim Vergleich von Kontrollkohorten mit exponierten Tieren. Die kontinuierliche Exposition mit Imatinib und Dasatinib bewirkte dosisabhängig eine Reduktion der Knochenlängen der Femura und der Tibiae. Bosutinib zeigte diesen Effekt nicht. Die intermittierende Exposition mit hoher Dosis resultierte in einer Knochenlängenreduktion, welche exakt dem Effekt der Standarddosis entsprach. Weiterhin resultierte aus der Exposition mit Imatinib oder Dasatinib eine Verminderung der trabekulären Knochendichten der Femura und Tibiae im präpubertären Stadium. Ratten, welche hoch dosiert Imatinib erhielten, zeigten diese Reduktion ebenfalls im pubertären Stadium, nicht jedoch unter Dasatinib- und Bosutinib-Exposition. Postpubertär unterschieden sich die trabekulären Dichten von Femura und Tibiae der exponierten Gruppen nicht von den Kontrollkohorten. Auf die kortikale Knochendichte und die kortikale Dicke dieser Röhrenknochen zeigte sich kein messbarer Effekt der TKI. Dennoch trat - nur nach Exposition der hohen Imatinibdosis - eine signifikant verminderte femorale Bruchfestigkeit postpubertär auf. Am Lendenwirbelkörper war pubertär und postpubertär die Höhe unter Imatinib-Exposition vermindert, während die Gesamt- und kortikale Knochendichte präpubertär erhöht war bei tendenziell erniedrigter trabekulärer Knochendichte. Die kortikale Dicke wurde durch alle TKI nicht beeinflusst. Dasatinib und Bosutinib bewirkten keinen Effekt auf die Wirbelhöhe, aber eine tendenzielle Minderung der trabekulären Knochendichte.
Der serologisch erfassbare Knochenresorptionsmarker „tatrate resistant acidic phosphatase“ (TRAP) war unter kontinuierlicher Exposition mit hoher Dosis von Imatinib zu allen Zeitpunkten erniedrigt. Postpubertär zeigte sich dieser Effekt auch unter Standard- und Hochdosis von Bosutinib. Der Knochenformationsmarker Osteocalcin war unter Imatinib bei allen Kohorten zu allen Analysezeitpunkten erniedrigt, während Dasatinib und Bosutinib keinen Effekt auf diesen Parameter zeigten. Die erfassten Serum-Hormonparameter (Wachstumshormon, Parathormon) lagen unter der Exposition mit Imatinib als erhöhte Wachstumshormonspiegel pubertär und als verminderte Parathormonspiegel prä- und pubertär vor. Unter der Exposition mit Dasatinib kam es ebenfalls pubertär zu einer Erhöhung der Wachstumshormonspiegel und präpubertär zu einer tendenziellen Erhöhung der Parathormonspiegel. Postpubertär normalisierten sich beide Parameter unter der Exposition mit Imatinib und Dasatinib wieder. Unter Bosutinib konnte nur postpubertär erniedrigte Parathormonspiegel ermittelt werden. Eine intermittierende TKI-Exposition resultierte in einem Aufholwachstum und einer teilweise Normalisierung der knochenspezifischen Serumparameter.
Als wichtige unerwartete Nebenwirkung zeigte sich unter Langzeitexposition mit Imatinib und Dasatinib eine Zunahme des Herzgewichtes. Unter Imatinib resultierten daraus keine klinischen Auffälligkeiten, während unter Dasatinib eine Herzinsuffizienz zum Tod eines Tieres führte. Bosutinib zeigte keine weiteren makropathologisch erfassbaren Nebenwirkungen. Bis heute sind keine kardialen Nebenwirkungen bei pädiatrischen Patienten nach mehrjähriger TKI-Therapie publiziert.
Schlussfolgerung: Das etablierte juvenile Nagertiermodell ist gut geeignet, um die Nebenwirkungen einer Langzeitexposition von TKI auf den wachsenden Knochen zu erfassen. Bei Kindern und Adoleszenten klinisch beschriebene Wachstumsretardierungen unter Imatinib ließen sich zweifelsfrei bei Ratten verifizieren. Bei fehlenden klinischen Daten von Kindern zu Dasatinib präjudiziert das Modell, dass Dasatinib so wie Imatinib den gleichen, Bosutinib hingegen kaum einen Effekt auf den Knochen ausübt. Eine intermittierende Gabe der TKI scheint die Nebenwirkungen auf den Knochen abzumildern und könnte eine neue Möglichkeit der TKI-Therapie für pädiatrische Patienten darstellen. Aus dem Tiermodell der Langzeit-exponierten juvenilen Ratte lässt sich ableiten, dass beim wachsenden Kind unter jahrelanger TKI-Therapie klinisch sorgfältig der Knochenstoffwechsel und das Längenwachstum überwacht und unter Dasatinib zusätzlich kardiale Nebenwirkungen beachten werden sollten. / Background: Since its approval in 2001 the tyrosine kinase inhibitor (TKI) imatinib has revolutionized the therapy of chronic myeloid leukaemia (CML). Imatinib inhibits the constitutively active tyrosine kinase (TK) BCR-ABL causing the increased proliferation of the leukemic cells and the progress of CML. According to improved survival rates imatinib has been licensed as frontline therapy also for paediatric CML in 2003. However, due to point mutations or structural changes within the BCR-ABL fusion protein resistance to imatinib occurs. Therefore 2nd and 3rd generation TKI like dasatinib and bosutinib have been developed.
Beside BCR-ABL, Imatinib exerts also off-target effects on further TKs like c-KIT, PDGF-R, c-FMS which are involved in bone metabolism. Stimulation of the receptor c-FMS leads to the differentiation of monocytic progenitors to bone resorbing osteoclasts. In addition, the development of bone forming osteoblasts underlies specific signalling cascades involving PDGF-R and c-Abl. As a side effect of TKI therapy these specific signalling cascades are inhibited impairing bone remodelling by reducing the development and functional activity of osteoclasts. Simultaneously osteoblasts’ differentiation is promoted while their proliferation is inhibited. This dysbalance of bone formation and resorption results in altered endocrinological serum markers of the calcium homeostasis, increased bone mineralization, and increased trabecular bone density in adult CML patients. In contrast paediatric CML patients show longitudinal growth retardations under imatinib therapy, however, the detailed action of imatinib on the growing bone is not clarified yet. Additionally, it is unclear if 2nd and 3rd generation TKI will also disturb bone metabolism in paediatric CML patients. Based on an effective treatment strategy in adult CML patients, it is also questioned if intermittent TKI treatment (one month “on”, one month “off”) could minimise side effects on the bone without impairing CML therapy.
On this background a rodent model was established to study side effects of TKI treatment on bone metabolism. Juvenile growing rats where exposed from prepubertal age till adolescence continuously or intermittently to imatinib, dasatinib, and bosutinib and the effects on the growing skeleton were analysed.
Methods: Four weeks old male Wistar rats were chronically exposed to varying concentrations of one of the three TKIs via the drinking water for 10 weeks. Besides untreated controls a standard dosage group and a high dosage group (equalling the twofold standard dose) received every TKI continuously, while an additional group received the high dosage TKI in an intermittent fashion (3 days per week: “on” TKI; 4 days water without TKI). The concentrations applied were 1 mM and 2 mM for imatinib and 50 µM and 100 µM each for dasatinib and bosutinib, respectively. After 2 weeks (prepubertal), 4 weeks (pubertal stage), and 10 weeks (postpubertal) of exposure, respectively, animals were sacrificed and long bones, lumbar vertebra and blood were isolated. To evaluate bone metabolism the following parameters were analysed: bone length, bone mineral density (BMD) by pQCT, trabecular structure by µCT, bone strength by 3-point bending test, and endocrinological parameters by ELISA. Additionally, serum levels of TKIs were investigated.
Results: In comparison to controls no alterations of exposed animals’ bodyweight, overall development and social behaviour were observed. Continuous exposure of imatinib and dasatinib led dose dependently to reduced femoral and tibial length. No such effect was observed under bosutinib. Intermitted exposure of high-dose TKIs resulted in reduced effects on femoral and tibial length identical to the effect observed in groups receiving just standard dose. Furthermore, exposure of imatinib and dasatinib lowered femoral and tibial trabecular BMD prepubertally. Rats receiving high dose imatinib showed reduced femoral and tibial trabecular BMD at pubertal stage, while this effect was not observed under dasatinib and bosutinib exposure. Postpubertally, femoral and tibial trabecular BMD of all exposed groups did not differ from controls. Femoral and tibial cortical BMD and cortical thickness were not affected by TKI exposure. However, under high dose imatinib exposure femoral mechanical breaking strength was reduced postpubertally. In vertebra the height was reduced under imatinib exposure pubertally and postpubertally, while the total and cortical BMD were increased prepubertally and trabecular BMD tended to be reduced. Cortical thickness was not affected by any TKI tested. Dasatinib and bosutinib exhibited no effect on the height of the vertebra but trabecular BMD tended to be reduced.
The serum bone resorption marker ‘tartrate resistant acidic phosphatase’ (TRAP) was found reduced under continuous exposure of high dose of imatinib at all time points tested. Postpubertally, the same effect was detected after standard and high dosage of bosutinib. The bone formation marker osteocalcin was reduced in all groups and at all time points tested under imatinib exposure, whereas no such effect was observed for dasatinib and bosutinib. Serum bone related hormone markers (growth hormone (GH) and parathyroid hormone (PTH)) revealed under imatinib exposure increased GH levels pubertally whereas PTH was reduced pre- und pubertally. During dasatinib exposure GH levels were elevated pubertally and PTH levels were increased prepubertally. Postpubertally, both parameters normalised again under imatinib and dasatinib exposure. During bosutinib exposure reduced PTH levels were detected postpubertally only. Intermitted TKI exposure resulted in catch-up growth and partial normalisation of bone specific serum parameters.
As major unexpected side effect during exposure increasing heart weights could be observed under long-time imatinib and dasatinib exposure. No clinical changes were observed under imatinib, whereas dasatinib led to cardiac insufficiency leading to death of one animal. Bosutinib showed no additional macrospathologic assessable side effects. To date no cardiac side effects were published in paediatric patients under prolonged TKI therapy.
Conclusion: The established juvenile rat model is appropriate to examine side effects of long-term TKI exposure on the growing bone. Published longitudinal growth retardation in children and adolescents under imatinib treatment could be unequivocally mimicked in this rat model. Due to not yet available clinical experience with dasatinib in paediatric patients, this model predicts that dasatinib alters bone metabolism like imatinib whereas bosutinib shows less detectable effects. Intermitted TKI treatment may reduce side effects on the growing bone and therefore could represent a new opportunity of TKI therapy for paediatric patients. Summing up, TKI long-term exposure in this juvenile rat model challenges physicians to diligently monitor bone metabolism in not outgrown paediatric patients during long-term TKI treatment and additionally assess cardiac side effects under dasatinib exposure.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:14-qucosa-118848 |
| Date | 24 July 2013 |
| Creators | Tauer, Josephine Tabea |
| Contributors | Technische Universität Dresden, Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus, Prof. Dr. rer. med. Meinolf Suttorp, Prof. Dr. rer. med. Meinolf Suttorp, Prof. Dr. rer. med. Arndt Borkhardt |
| Publisher | Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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