Tuning response to therapy in preclinical GL261 glioblastoma through CK2 targeting and temozolomide metronomic approaches: non-invasive assessment with MRI and MRSI-based molecular imaging strategies

Abstract

El treball descrit en aquesta tesi fa referència al tractaments de glioblastomes (GBM) GL261 preclínics que creixen en ratolins C57BL/6, també al seguiment no invasiu de la resposta a la teràpia, usant tècniques de ressonància magnètica (RM). El model immunocompetent GL261 GBM s’indueix per injecció estereotàctica de cèl·lules GL261 a l’estriat de ratolins WT C57BL/6. Tres agents terapèutics s’han provat en aquest model: el CX-4945®, inhibidor de la proteïna kinasa II (CK2), i dos agents alquilants d’administració oral usats habitualment en pràctica clínica pel tractament de GBM: la temozolamida (TMZ) i la ciclofosfamida (CPA). La CK2 ha estat descrita com a diana potencial pel tractament del càncer, ja que contribueix en el desenvolupament tumoral, proliferació i supressió de l’apoptosi. A més, nivells elevats d’expressió s’han demostrat en varis tipus de càncer. Malgrat això, el CX-4945, el qual està en fase clínica I/II, no va produir l’efecte beneficiós desitjat descrit per altres autors quan es va usar amb el nostre model de GBM GL261. A més, el tractament d’aquest model amb 3 cicles de TMZ, ja ha estat descrit en el nostre grup amb un augment significatiu de la supervivència. Per contra, la teràpia combinada de 3 cicles TMZ amb CX-4945, inesperadament, va revertir l’efecte beneficiós de la TMZ, el que va suggerir una interferència amb el sistema immunitari relacionat amb el desenvolupament i tractament del càncer. Això ens va portar a considerar l’ús d’un esquema de teràpia metronòmic (administració de dosis baixes separades per períodes iguals i sense llargs períodes de repòs entremig) descrit amb resultats prometedors a la literatura. La CPA, la TMZ i el CX-4945 van ser analitzats en un esquema de teràpia metronòmic a dosis diferents. Dins les diferents estratègies analitzades, els millors resultats es van obtenir amb el protocol metronòmic de teràpia combinada, cada 6 dies, de TMZ i CX-4945, mostrant un increment significatiu en la supervivència. Aquests resultats també van apuntar cap a la probable participació del sistema immunitari en resposta a la teràpia, tot i que es necessitaran futurs estudis d’histopatologia per confirmar aquesta hipòtesis. Altres resultats interessants addicionals van ser: en primer lloc, l’aparició d’un clar edema peritumoral durant moments concrets del tractament quimioterapèutic. En segon lloc, que la metodologia no-invasiva per determinar la resposta a la teràpia basat en l’anàlisi semi-supervisat de fonts d’imatge espectroscòpica de ressonància magnètica (MRSI), prèviament desenvolupat en el nostre grup amb ratolins tractats amb TMZ, també va demostrar ser viable per detectar la resposta induïda pel CPA en el nostre model preclínic. Això suggeriria que es pot observar un “patró metabolòmic de resposta” comú sota diferents estratègies terapèutiques. I en tercer lloc, l’aparició de limfomes trobats en les necròpsies de ratolins curats després de dosis cumulatives elevades de TMZ (480-1400 mg/Kg), suggerint que cal investigar estratègies per disminuir la dosi administrada d’agents alquilants per evitar efectes perjudicials en els ratolins tractats.

Work described in this thesis deals with the treatment of GL261 preclinical glioblastoma (GBM) growing in C57BL/6 mice, as well as with the non-invasive assessment of response to therapy using magnetic resonance (MR) techniques. The GL261 GBM is an immunocompetent model induced by stereotactic injection of GL261 cells into the striatum of C57BL/6 WT mice. Three different therapeutic agents have been tested in this model: CX-4945®, a protein kinase II (CK2) inhibitor, and two oral alkylating agents commonly used in the clinic for GBM treatment, temozolomide (TMZ) and cyclophosphamide (CPA). CK2 has been described as a potential suitable target for cancer treatment because it contributes to tumour development, proliferation, and apoptosis suppression in cancer. In addition, elevated CK2 expression levels have been demonstrated in several cancer types. Nevertheless, CX-4945, which already reached phase I/II clinical trials, did not produce the expected beneficial effect described by others when applied to our GL261 GBM model. Moreover, the GL261 GBM treatment with 3 TMZ cycles had been already described by our group with significant survival improvement. Nevertheless, the combined therapy 3 cycle-TMZ+CX-4945, unexpectedly, reverted the beneficial effect of TMZ, which suggested an interference with the immune cycle related with cancer development and treatment. This lead us to consider the use of a metronomic schedule (administration of low and equally spaced doses of drugs without long rest periods in between) described with promising results in the literature. CPA, TMZ and CX-4945 were assessed in a 6-day schedule metronomic schedule at different doses. Among the different strategies evaluated, best results were obtained with the combined metronomic administration, every 6 days, of TMZ and CX-4945 drugs, showing significant improved survival. This also pointed to the probable paticipation of the host mice immune system in therapy response, although further histopathological studies will be needed to fully confirm this hypothesis. Additional interesting findings were: firstly, a clear peritumoral brain edema appearance during certain stages of chemotherapeutic treatment. Secondly, that the non-invasive method for therapy response assessment based in semi-supervised source analysis of Magnetic Resonance Spectroscopy Imaging (MRSI) data, previously developed in our group with TMZ-treated mice, also proved useful for detecting CPA-induced response in our preclinical model. This would suggest that a common “metabolomics responding pattern” can be observed under different therapeutic strategies. And thirdly, the necropsy findings in mice cured from GL261 GBM after high TMZ cumulative dosage (480-1400 mg/Kg), which presented relevant lymphoma incidence, suggesting that strategies to decrease the administered dose should be investigated to avoid harmful effects in mice treated with alkylating agents.