Traditionally chemotherapy, used for the treatment of breast cancer, relied on combinations containing 5-Flurouracil (5-FU). Recently, to improve the therapeutic index of 5-FU and its oral availability, a new prodrug termed capecitabine (Xeloda ®) was developed. Capecitabine requires enzymatic activation by hepatic carboxylesterase (CES), to generate 5'-DFCR, then 5'-DFUR, the latter in turn is metabolized by thymidine phosphorylase (TP) into 5-FU. The good tolerance of capecitabine has inspired the search for agents with which it can synergize. Many capecitabine-based two-drug combinations have been proposed with different agents, such taxanes and kinase inhibitors with various degrees of success. We hypothesized that approaches that exploit enzymes involved in the activation of capecitabine should lead to strong synergistic modalities. Here, we exploited two such enzymes involved in the metabolism of capecitabine, TP and CES, to design single molecules, termed "combi-molecules" capable of mimicking the combination of capecitabine with an EGFR tyrosine inhibitor. Our rationale design was further strengthened by the initial observation that EGFR inhibition leads to an increase in TP levels. This thesis first defines the pharmacological profile of the EGFR inhibitor + 5'-DFUR combination, which showed a linear correlation between inhibition of the tyrosine kinase of EGFR and enhancement of TP expression (y = 0.02922*x + 0.4642, R2=0.88, P value=0.005). Thus, we designed and synthesized two classes of combi-molecules: one based on the carbamate function of capecitabine that requires CES for activation (5'-DFCR-based combi-molecules) and another containing a linker at the N1 of 5'-DFUR that can be spontaneously hydrolyzed. Our first prototype, ZRX1 (a 5'-DFCR-based combi-molecule) was ineffective when intact. However, when CES was present, ZRX1 induced an increase in EGFR phosphotyrosine inhibition, TP expression, DNA damage and apoptosis. ZRX1 was, at least, 3-fold more potent than capecitabine and 5'-DFUR and recapitulated the effects of the combination. Unfortunately, ZRX1 was deprived of EGFR inhibitory potency (IC50= 4 µM) on its own and required carboxylesterase (CES) activation to elicit optimal effects. Given the fact that intact ZRX1 would not exert strong EGFR inhibitor, we undertook a structure optimization study of our molecules to enhance their EGFR inhibitory potency. The results showed that replacing the ethoxyethyl linker of ZRX1 by amine-containing chains led to combi-molecules with nanomolar range EGFR inhibition IC50 values even when intact. Whether they had their EGFR inhibitory arm grafted on N3 of the sugar, resulting as in the 5'-DFCR-based combi-molecules (CT3-51, and CT3-138) or on the N1, as in the 5'-DFUR-based combi-molecules CT3-55, CT3-127, CT3-1343 and MAT54. These optimized combi-molecules generated activity profiles that mimicked the combination of EGFR inhibitor + capecitabine or metabolite 5'-DFUR. However, in contrast to the 5'-DFCR-based class, the 5'-DFUR-based class did not require the presence of CES to generate its dual EGFR inhibitory and anti-metabolite mechanism of action. Having defined the structural requirement to obtain a potent combi-molecule, we selected one of such molecule to focus on the dissection of the mechanism of action of our novel approach. / Traditionnellement, la chimiothérapie utilisée pour le traitement du cancer du sein comptait sur des combinaisons qui contiennent 5-Flurouracile (5-FU). Récemment, pour améliorer l'index thérapeutique de 5-FU et sa disponibilité par voie orale, un nouveau promédicament nommé capécitabine (Xeloda ®) a été développé. Capécitabine nécessite l'activation enzymatique par l'enzyme hépatique carboxylestérase (CES), pour générer 5'-DFCR, puis 5'-DFUR, ce dernier à son tour est métabolisé par thymidine phosphorylase (TP) en 5-FU. La bonne tolérance de capécitabine a inspiré la recherche d'agents avec lesquels ce médicament peut avoir une synergie. De nombreuses combinaisons de deux médicaments à base de capecitabine ont été proposées avec différents agents, tels que les taxanes et les inhibiteurs de kinases, avec divers degrés de succès. Nous avons avancé l'hypothèse que exploiter des enzymes impliquées dans l'activation de capécitabine devraient conduire à des fortes modalités synergiques. Ici, nous avons exploité deux de ces enzymes impliquées dans le métabolisme de capécitabine, CES et TP, afin de concevoir des molécules uniques, appelés « combi-molécules » capables de mimer la combinaison de capécitabine + un inhibiteur du récepteur EGFR. Notre logique de conception a été renforcée par l'observation initiale que l'inhibition de l'EGFR conduit à une augmentation des niveaux TP. Cette thèse définit d'abord le profil pharmacologique de la combinaison d'un inhibiteur de EGFR + 5'-DFUR, qui a démontré une corrélation linéaire entre l'inhibition de la tyrosine kinase de l'EGFR et l'augmentation dans l'expression de TP (y = 0,02922 * x + 0,4642, R2 = 0,88, P = 0,005). Ainsi, nous avons conçu et synthétisé deux classes de combi-molécules: l'une basée sur la fonction carbamate de capécitabine, nécessitant CES pour être activée (les combi-molécules à base de 5'-DFCR ) et une autre contenant une liaison au niveau du N1 du 5'- DFUR qui peut être hydrolysé spontanément. Notre premier prototype, ZRX1 (une combi-molécule à base de 5'-DFCR) était inefficace sous sa forme intégrale. Cependant, quand CES était présente, ZRX1 a induit une augmentation de l'inhibition d'EGFR, d'expression TP, des lésions à l'ADN et de l'apoptose. ZRX1 était, au moins 3 fois plus puissant que capécitabine et 5'-DFUR et a récapitulé les effets de la combinaison. Malheureusement, ZRX1 manquait de puissance inhibitrice d'EGFR (IC50 = 4 µM) et ne pouvait être activé que dans présence de CES. Vu que ZRX1 n'exerce pas une forte inhibition d'EGFR, nous avons entrepris une étude d'optimisation de la structure de nos molécules, pour améliorer leur pouvoir inhibiteur d'EGFR. Les résultats ont montré que le remplacement de la fonction éthoxyéthyl de ZRX1 par des chaînes contenant des amines a conduis à des combi-molécules avec des valeurs de IC50 d'inhibition de l'EGFR en nanomolaire, même sous leur forme intégrales. Ceci est valable pour les combi-molécules à base de 5'- DFCR qui avaient le bras inhibiteur d'EGFR greffé sur N3 du sucre comme CT3-51, et CT3 – 138 et les combi-molécules à base de 5'- DFUR (CT3 -55 CT3 - 127, CT3-1343 et MAT54) substituées en N1. Ces combi-molécules optimisées ont généré des profils d'activité qui imitent la combinaison d'un inhibiteur d'EGFR + capécitabine ou son métabolite 5'- DFUR. Cependant, contrairement à la classe à base 5'-DFCR, la classe à base 5'-DFUR n'exige pas la présence de CES pour générer son double mécanisme d'action d'inhibiteur d'EGFR et d'anti-métabolite. Après avoir défini l'exigence structurelle pour obtenir une combi-molécule efficace, nous avons choisi une de ces molécules afin de se concentrer sur la dissection du mécanisme d'action de notre nouvelle approche.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.122966 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Ait Tihyaty, Maria |
| Contributors | Bertrand Jean-Claude (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Medicine) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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