Targeted therapies for the treatment of triple-negative breast cancer

Karolin, Römhild; Lammers, Twan; Knüchel-Clarke, Ruth

doi:41635

Targeted therapies for the treatment of triple-negative breast cancer

Karolin, Römhild^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Chemikerin Karolin Römhild

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Knüchel-Clarke, Ruth (Thesis advisor)^RWTH* ; Lammers, Twan (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-09-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09080
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/853791/files/853791.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Pathologie (528001-2)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Doxorubicin Pro-Pharmaka (frei) ; Eisenstoffwechsel (frei) ; Makrophagenpolarisierung (frei) ; Nanomedizin (frei) ; Tumormikroumgebung (frei) ; doxorubicin prodrugs (frei) ; iron metabolism (frei) ; macrophage polarization (frei) ; nanomedicine (frei) ; tumor microenvironment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Triple-negativer Brustkrebs (TNBC) hat begrenzte Behandlungsmöglichkeiten. In dieser Doktorarbeit werden neue gezielte Therapieansätze und Kombinationen von bereits etablierten Modalitäten zur Behandlung von TNBC untersucht. Makrophagen (MΦ) spielen eine Schlüsselrolle in der Tumorentwicklung und stellen einen Angriffspunkt in der Therapie von TNBC dar. Der Eisenstoffwechsel von tumor-assoziierten MΦ wurde mittels Eisenoxidnanopartikel angegriffen um den Eisengehalt zu erhöhen und einen entzündungsfördernden MΦ Phänotyp zu induzieren. Verschiedene Eisenoxidnanopartikel wurden getestet. In vitro, induzierte ausschließlich Ferumoxytol einen entzündungsfördernden Phänotyp in primären humanen MΦ. In vivo, untersuchten wir das anti-tumor Verhalten von Ferumoxytol und seine Fähigkeit die Medikamentenanreicherung in murinen TNBC Modellen zu verbessern. Obwohl die intravenös (i.v.) verabreichte Ferumoxytol Therapie eine hohe Eisenanreicherung im Tumor zur Folge hatte, beeinflusste dies die Tumorentwicklung, die MΦ Polarisation und die Tumormikroumgebung (TMU) nicht. Des Weiteren wurde der Einfluss auf MΦ Kulturbedingen in Abhängigkeit von Eisen untersucht. Hierzu untersuchten wir serum-freie Bedingungen und Alternativen zum Gebrauch von fetalem Kälberserum und erkannten, dass es keinen signifikanten Einfluss auf die Polarisierung von entzündungsfördernden MΦ hat. Eisenentzug wurde anhand des Eisenchelators Deferoxamine (DFO) untersucht. DFO zeigte eine Abnahme die Viabilität von TNBC Zelllinien und induzierte einen entzündungsfördernden MΦ Phänotyp in vitro. DFO konjugierte polymere Mizellen (PM) wurden hergestellt um die Zirkulationsdauer von DFO zu verlängern und die Tumorakkumulation nach i.v. Applikation zu ermöglichen. DFO PM wurden in vitro und in vivo getestet in Bezug auf Tumorwachstum und MΦ Polarisierung. Im Gegensatz zu vorhergehenden Veröffentlichungen, hatte Eisenentzug keinen Effekt auf Tumorwachstum und MΦ Polarisierung. Indessen konnten DFO PM erfolgreich mit Doxorubicin (DOX) Pro-Pharmaka beladen werden und als bildgeführte Nanomedizin Formulierung in der Krebsbekämpfung eingesetzt werden. DOX Pro-Pharmaka dienen der Verringerung von ungewünschten Nebeneffekten. Es wurden beta-Glucuronidase sensitive DOX Pro-Pharmaka mit unterschiedlich langen Verbindungselementen hergestellt. Die Verbindungverlängerung erhöhte die Umsatzrate und verbesserte die Zellaufnahme und Aktivität des Pro-Pharmakons. Das Pro-Pharmakon mit zwei aromatischen Einheiten im Verbindungselement wurde ausgewählt und mit fokussiertem Ultraschall kombiniert. Schließlich haben beide untersuchten Therapieansätze die den Eisenstoffwechsel angreifen keinen Einfluss auf das Tumorwachstum und die TMU. Allerdings können Ferumoxytol und DFO PM als bildgeführte Wirkstoffträgersystem eingesetzt werden.

Triple-negative breast cancer (TNBC) has very limited treatment options. Novel targeted treatment strategies and combinations of already established modalities for the treatment of TNBC are investigated in this thesis. Macrophages (MΦ) play a key role in cancer development and progression, and are promising targets for TNBC therapy. Iron metabolism in tumor-associated macrophages was targeted by elevating the iron level with iron oxide nanoparticles (NP) to induce a pro-inflammatory and anti-tumor macrophage phenotype. Several iron oxide NP formulations were tested. In vitro, only the clinically used formulation ferumoxytol polarized primary human macrophages towards a pro-inflammatory phenotype. In vivo, we studied whether ferumoxytol has anti-cancer properties and is able to enhance drug delivery in a TNBC mouse model. Even though high levels of iron accumulation were observed upon i.v. ferumoxytol therapy, no effect on tumor progression, macrophage polarization and the tumor microenvironment (TME) were observed. Furthermore, the impact of macrophage cell culture conditions in dependence of iron was investigated. To this end, we used both serum-free conditions and fetal bovine serum alternatives, and found that both had no significant impact on pro-inflammatory macrophage polarization upon iron treatment. Iron depletion was investigated by using the iron chelator deferoxamine (DFO). DFO showed a reduction in viability in various TNBC cell lines and was able to polarize macrophages towards a pro-inflammatory phenotype in vitro. DFO-containing polymeric micelles (PMs) were synthesized to promote DFO’s circulation time and tumor accumulation upon i.v. application. DFO-loaded PMs were tested in vitro and in vivo versus free DFO regarding tumor growth inhibition and macrophage polarization. Unlike previously published results, no effect of iron depletion was observed on tumor growth inhibition and macrophage polarization. However, DFO-loaded PM could be successfully co-loaded with doxorubicin prodrugs, to serve as an image-guided nanomedicine formulation for cancer therapy. For the latter purpose, doxorubicin (DOX) prodrugs were developed, to reduce off-target toxicity. We designed DOX prodrugs containing a beta-glucuronidase-sensitive capping group with different spacer lengths. Spacer elongation increased the enzyme conversion rate and improved the uptake and activity of the prodrug. A prodrug with two aromatic spacer units was chosen and was successfully combined with focused ultrasound to enable. To conclude, both iron metabolism targeting strategies did not affect the tumor growth and TME. However, ferumoxytol and DFO PM can serve as image-guided drug delivery systems.

OpenAccess:
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