Targeting aldehyde dehydrogenases in combined therapy against glioblastoma

Abstract

El glioblastoma (GB) és el tipus més comú i agressiu de tumor maligne primari del sistema nerviós central (CNS). Aquesta malaltia continua sent incurable actualment, amb poques opcions terapèutiques i escassos avenços en les últimes dècades. Les dificultats per desenvolupar un tractament eficaç contra el GB resideixen, entre d’altres, en el seu alt grau d’infiltració al parènquima cerebral, la seva alta heterogeneïtat i, a remarcar, la resistència a quimioteràpia com la temozolomida (TMZ), l’agent quimioterapèutic estàndard utilitzat actualment. Recentment, s’ha reportat que alguns enzims pertanyents a la superfamília de les aldehid deshidrogenases (ALDHs) estan altament involucrats en els mecanismes de quimioresistència i en la regulació de l’anomenada subpoblació de cèl·lules mare canceroses (CSCs) del tumor, que es creu que és la principal responsable de la recidiva tumoral. Aquests enzims juguen un paper clau en la desintoxicació d’aldehids, participen en la regulació d’un ampli espectre de processos biològics com la proliferació, la diferenciació i l’apoptosi a través de la producció d’àcid retinoic (RA), se sap que interactuen amb diverses vies oncogèniques i al microambient immunitari de les CSCs, i s’ha observat que contribueixen a la resistència a fàrmacs antineoplàstics i a radiació. A causa d’això, les ALDHs estan sorgint com a dianes farmacològiques prometedores per al tractament de diferents tipus de càncer, inclòs el GB. En aquesta tesi, alguns compostos nous, sintetitzats per l’empresa biotecnològica Advanced BioDesign (ABD) i prèviament validats com a inhibidors d’ALDH, s’han estudiat com a possibles candidats per al tractament del GB. Aquests compostos són tres compostos α,β-acetilènic aminotiolèster denominats DIMATE, ABD0099 i ABD0171, i una nanoemulsió lipídica de DIMATE denominada ABD-3001. Els experiments realitzats en aquesta tesi es poden classificar en tres blocs diferents: caracterització de les nanopartícules ABD-3001, estudis in vitro en un panell de línies cel·lulars de GB i estudis in vivo en un model murí de GB. Els compostos estudiats en aquesta tesi van donar resultats prometedors in vitro, ja que van mostrar una alta citotoxicitat en un panell de línies cel·lulars de GB (tres ordres de magnitud més potents que la TMZ), van ser capaços d’inhibir l’activitat ALDH cel·lular, van mostrar sinèrgia quan es van combinar amb TMZ, i van induir apoptosi presumiblement a través de l’acumulació d’espècies reactives d’oxigen (ROS) a la cèl·lula. A més, la idea d’inhibir les ALDHs com a estratègia prometedora per al tractament del GB es va veure reforçada pels resultats obtinguts a la línia cel·lular “knockout”. Concretament, el noqueig dels gens d’ALDH a les cèl·lules A172 va reduir la seva taxa de creixement in vitro, va perjudicar la seva capacitat de migració i les va sensibilitzar alguns fàrmacs aprovats per la FDA, inclòs el medicament estàndard TMZ. Pel que fa als assaigs in vivo, ABD-3001 va mostrar un gran potencial com a agent terapèutic contra el GB, ja que va ser capaç d’alentir la taxa de creixement del tumor en ratolins portadors de GB i allargar la seva vida en comparació amb els ratolins no tractats , malgrat mostrar certa toxicitat que es va poder solucionar baixant la dosi del fàrmac administrat. A més, el tractament amb ABD-3001 va induir alguns canvis al patró d’expressió d’ALDH de diversos teixits. En conjunt, els resultats obtinguts suggereixen que l’ús d’inhibidors d’ALDH podria ser un nou enfocament encoratjador per al tractament del GB, ja sigui com a monoteràpia o en combinació amb el medicament estàndard TMZ.

El glioblastoma (GB) es el tipo más común y agresivo de tumor maligno primario del sistema nervioso central (CNS). Esta enfermedad sigue siendo incurable en la actualidad, con pocas opciones terapéuticas y escasos avances en las últimas décadas. Las dificultades para desarrollar un tratamiento eficaz frente al GB residen, entre otras, en su alto grado de infiltración en el parénquima cerebral, su alta heterogeneidad y, a remarcar, la resistencia a quimioterapia como la temozolomida (TMZ), el agente quimioterapéutico estándar utilizado actualmente. Recientemente, se ha reportado que algunas enzimas pertenecientes a la superfamilia de las aldehído deshidrogenasas (ALDHs) están altamente involucradas en los mecanismos de quimiorresistencia y en la regulación de la llamada subpoblación de células madre cancerosas (CSCs) del tumor, que se cree que es la principal responsable de la recidiva tumoral. Estas enzimas juegan un papel clave en la desintoxicación de aldehídos, participan en la regulación de un amplio espectro de procesos biológicos como la proliferación, diferenciación y apoptosis a través de la producción de ácido retinoico (RA), se sabe que interactúan con varias vías oncogénicas y en el microambiente inmunitario de las CSCs, y se ha observado que contribuyen a la resistencia a fármacos antineoplásicos y a radiación. Debido a esto, las ALDHs están surgiendo como dianas farmacológicas prometedoras para el tratamiento de diferentes tipos de cáncer, incluido el GB. En esta tesis, algunos compuestos nuevos, sintetizados por la empresa biotecnológica Advanced BioDesign (ABD) y previamente validados como inhibidores de ALDH, se han estudiado como posibles candidatos para el tratamiento del GB. Estos compuestos son tres compuestos α,β-acetilénico aminotioléster denominados DIMATE, ABD0099 y ABD0171, y una nanoemulsión lipídica de DIMATE denominada ABD-3001. Los experimentos realizados en esta tesis se pueden clasificar en tres bloques diferentes: caracterización de las nanopartículas ABD-3001, estudios in vitro en un panel de líneas celulares de GB y estudios in vivo en un modelo murino de GB. Los compuestos estudiados en esta tesis dieron resultados prometedores in vitro, ya que mostraron una alta citotoxicidad en un panel de líneas celulares de GB (tres órdenes de magnitud más potentes que la TMZ), fueron capaces de inhibir la actividad ALDH celular, mostraron sinergia cuando se combinaron con TMZ, e indujeron apoptosis presumiblemente a través de la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS) en la célula. Además, la idea de inhibir las ALDHs como estrategia prometedora para el tratamiento del GB se vio reforzada por los resultados obtenidos en la línea celular “knockout”. Concretamente, el noqueo de los genes de ALDH en las células A172 redujo su tasa de crecimiento in vitro, perjudicó su capacidad de migración y las sensibilizó a algunos fármacos aprobados por la FDA, incluido el medicamento estándar TMZ. En cuanto a los ensayos in vivo, ABD-3001 mostró un gran potencial como agente terapéutico contra el GB, ya que fue capaz de ralentizar la tasa de crecimiento del tumor en ratones portadores de GB y alargar su vida en comparación con los ratones no tratados, a pesar de mostrar cierta toxicidad que pudo solucionarse bajando la dosis del fármaco administrado. Además, el tratamiento con ABD-3001 indujo algunos cambios en el patrón de expresión de ALDH de varios tejidos. En conjunto, los resultados obtenidos sugieren que el uso de inhibidores de ALDH podría ser un nuevo enfoque alentador para el tratamiento del GB, ya sea como monoterapia o en combinación con el medicamento estándar TMZ.

Glioblastoma (GB) is the most common and aggressive type of primary malignant central nervous system (CNS) tumor. This disease is still incurable nowadays, with few therapeutic options and poor advances in the last decades. Difficulties in developing an effective treatment against GB reside, among others, on its high degree of infiltration in the brain parenchyma, its high heterogeneity and, remarkably, resistance to chemotherapy such as temozolomide (TMZ), the standard chemotherapeutic agent used currently. Recently, some enzymes belonging to the superfamily of aldehyde dehydrogenases (ALDHs) have been reported to be deeply involved in the mechanisms of chemoresistance and in the regulation of the so-called cancer stem cell (CSC) subpopulation of the tumor, thought to be the main responsible for tumor recurrence. These enzymes play a key role in the detoxification of aldehydes, participate in the regulation of a broad spectrum of biological processes such as proliferation, differentiation and apoptosis via production of retinoic acid (RA), are known to interact with several oncogenic pathways and in the immune microenvironment of CSCs, and are reported to contribute to resistance to antineoplastic drugs and radiation. Because of this, ALDHs are arising as promising pharmacological targets for the treatment of different cancer types, including GB. In this thesis, some novel compounds, synthesized by the biotechnology company Advanced BioDesign (ABD) and previously shown to be ALDH inhibitors, have been studied as potential candidates for the treatment of GB. These compounds are three α,β-acetylenic amino thiolester compounds named DIMATE, ABD0099 and ABD0171, and a lipidic nanoemulsion of DIMATE named ABD-3001. The experiments carried out in this thesis can be classified in three different blocks: characterization of ABD-3001 nanoparticles, in vitro studies in a panel of GB cell lines, and in vivo studies in a murine model of GB. The compounds tested in this thesis yielded promising results in vitro, since they displayed a high cytotoxicity in a panel of GB cell lines (three orders of magnitude more potent than TMZ), were able to inhibit the cellular ALDH activity, showed synergy when combined with TMZ, and induced apoptosis presumably via accumulation of reactive oxygen species (ROS) in the cell. Additionally, the idea of inhibiting ALDHs as a promising approach for the treatment of GB was reinforced by the results obtained in the knockout cell line. Specifically, knockout of ALDH genes in A172 cells reduced their growth rate in vitro, hampered their migration capacity, and sensitized them to some FDA-approved drugs, including the standard of care TMZ. Regarding the in vivo assays, ABD-3001 showed great potential as a therapeutic agent against GB, since it was able to slow down the growth rate of the tumor in GB-bearing mice and lengthen their lifespan compared to untreated mice, despite displaying certain toxicity that could be solved by lowering the dose of administered drug. In addition, the treatment with ABD-3001 induced some changes in the ALDH expression pattern of several tissues. Altogether, the results obtained suggest that the use of ALDH inhibitors could be an encouraging novel approach for the treatment of GB, either as monotherapy or in combination with the standard of care TMZ.