New strategies in the treatment of radioresistant tumor cells by using synchrotron radiation and metallic compounds

Abstract

El glioblastoma (multiforme) segueix sent uns dels tumors més letals. Això és conseqüència de l’alta radiosensibilitat del teixit sà del voltant, el que impedeix la deposició de dosis curatives amb les tècniques de radioteràpia convencionals. El tractament actual d’aquests tumors es basa en l’administració de temozolomida seguida d’una irradiació completa del cervell. Tot i així, només s’obté un petit increment en la supervivència dels pacients. Amb la motivació de millorar el pronòstic dels gliomes, noves tècniques de radioteràpia basades en el fraccionament espacial de la dosi, com la Minibeam Radiation Therapy (MBRT), s’han anat desenvolupant en els sincrotrons. Degut a que variacions en les característiques dels feixos en MBRT, ponen donar lloc a efectes biològics completament diferents, experiments in vitro i in vivo són necessaris per ajudar a comprendre’ls. En aquesta tesi es recullen un dels primers resultats in vitro obtinguts amb MBRT a l’ESRF. Els diferents tipus de dany cel·lulars han estat detectats i quantificats després de les irradiacions amb MBRT, comparat-los amb els que s’originen amb un feix de sincrotró blanc i sense fraccionar (BB). Així, es van assignar els endpoints (o dosis màximes efectives) d’ambdues irradiacions, delimitant el rang de dosis on la finestra terapèutica o endpoint era esperable per aquests tractaments. L’endpoint referit tant al dany directe sobre el DNA, com a la supervivència cel·lular van ser establerts als 12 Gy de dosi (vall) per ambdues tècniques, i a 18 Gy segons la capacitat de recuperació de les cèl·lules. Tot i així, els MBRT van mostrar major efectivitat en termes de mort cel·lular, especialment per apoptosi. Es van investigar possibles maneres d’incrementar l’índex terapèutic dels tractments administrant concomitantment a la radiació compostos amb àtoms d’alt Z com el cisplatí (cisPt). Utilitzant unes vesícules biològiques, els liposomes, es va millorar l’administració del cisPt a les cèl·lules, al mateix temps que es disminuïa la toxicitat del cisPt en les cèl·lules sanes. La concentració i distribució de Pt dins de les cèl·lules vives i de les mortes es va analitzar després dels tractaments, observant-se que els liposomes permetien augmentar la concentració de Pt intracel·lular, incrementant també el Ca i el Zn. Aquest estudi ha estat un dels primers realitzats amb cèl·lules mortes. Una altra alternativa era disminuir la concentració de cisPt combinant-lo amb nanopartícules d’Au (AuNPs), obtenint un augment de l’efectivitat del tractament amb una posterior irradiació. Tanmateix, 150 Gy de dosi pic van ser estar dins els límits de tolerància en cervells sans de rates. Per tant, s’ha demostrat l’efectivitat dels MBRT en eliminar cèl·lules de glioma, així com en la capacitat d’aquesta tècnica de preservar els teixits sans després de les irradiacions. Aquests resultats converteixen a la MBRT en una tècnica molt prometedora en el tractament d’aquests tumors, amb l’avantatge afegida de que és factible la seva exportació fora dels sincrotrons.

Glioblastoma and glioblastoma multiforme are one of the most lethal tumors despite modern treatments. The high morbidity of the surrounding healthy tissues arises as the main obstacle to reach a curative treatment in conventional radiotherapy. The gold standard treatment based on temozolomide followed by a complete brain irradiation provides only a slight increase of survival. To overcome these limitations, new radiotherapy approaches such as Minibeam Radiation Therapy (MBRT) which is based on the spatial fractionation of the dose, are under development at synchrotron sources. Since the different beam widths and spacing in MBRT might lead to completely different biological effects, in vitro and in vivo experiments were warranted to understand the effects of MBRT. In this frame, this Ph.D. dissertation compiles all the results of one of the firsts in vitro experiments with MBRT. The detection and quantification of the different kinds of cell damage after MBRT irradiations were identified and compared with those caused by white broad beam (BB) irradiations. In addition, the endpoints (or threshold doses) for both radiation techniques were assessed, delimiting to some extent the range of doses where the therapeutic window (i.e., endpoint) for a new treatment could be expected. Despite the endpoint regarding direct damage on DNA and cell survival was established at 12 Gy of (valley) dose for both techniques, and at 18 Gy concerning the cell recovery, MBRT provides a higher effectiveness in terms of cell killing, specially through apoptosis. Moreover, new possible ways to increase the therapeutic index of gliomas treatments by using compounds containing high-Z atoms as cisplatin (cisPt) concomitantly to radiation were investigated as well. Biological-like vesicles, named liposomes, were used to improve the drug delivery into the cells, whereas decreasing the cisPt toxicity on healthy cells. The concentration and distribution of Pt inside both alive and dead cells were analyzed after this treatment, indicating that liposomes led to increase the Pt concentration intracellularly, increasing also the amount of Ca and Zn. Moreover, it was the first time that dead cells were studied. Another alternative explored was the reduction of cisPt concentration by combining cisPt with gold nanoparticles (AuNPs). This combination concomitantly to irradiation showed a higher effectiveness in terms of cell killing. After all the information obtained for the first time about the effects of MBRT in vitro, the tolerance doses on healthy rat brains were established at around 150 Gy of peak dose. Therefore, it could be demonstrated not only the effectiveness of MBRT in killing glioma cells, but also the sparing capability of healthy tissues after such irradiations. These results makes MBRT a very promising RT technique to be explored, with the asset that it has the potential to be extended outside synchrotrons.