Ανάπτυξη καινοτόμων διαγνωστικών, θεραπευτικών και θεραπογνωστικών μορίων ανταποκρινόμενων στο μικροπεριβάλλον των καρκινικών κυττάρων με στόχο την εξατομικευμένη θεραπεία

Abstract

Cancer is the second leading cause of death worldwide as it affects approximately 1/3 of the human population. Chemotherapy plays a vital role in the conventional treatment of various forms of cancer, however survival rates remain disappointing. The low efficacy rates are due to the fact that the already commercially available cytotoxic molecules have many gaps in their action. These are the low bioavailability of the drugs as well as their limited selectivity, which often leads to uncontrolled toxicity. In addition the development of new anticancer agents remains a highly expensive and inefficient process. Consequently, the scientific community has turned to alternative approaches. One such approach is the "recycling" of already existing drugs, which have not given satisfactory results and many of which have been withdrawn, with the aim of increasing their effectiveness through the use of suitable carriers that will be able to transport these drugs specifically to cancer cells cytotoxic molecules. It is important that these carriers have the ability to selectively release the cytotoxic molecule into the microenvironment of the cancer cells. Elevated levels of alkaline phosphatase (ALP) in the tumor microenvironment (TME) are a hallmark of cancer progression and thus inhibition of ALP could serve as an effective approach against cancer. Herein, we developed a novel prodrug approach to tackle cancer that bears self-inhibiting alkaline phosphatase-responsiveness properties that can enhance at the same time the solubility of the parent compound. To probe this novel concept, we selected apigenin as the cytotoxic agent since we first unveiled, that it directly interacts and inhibits ALP activity. Consequently, we rationally designed and synthesized, using a self-immolative linker, an ALP responsive apigenin-based phosphate prodrug, phospho-apigenin. Phospho-apigenin markedly increased the stability of the parent compound apigenin. Furthermore, the prodrug exhibited enhanced antiproliferative effect in malignant cells with elevated ALP levels, compared to apigenin. This recorded potency of the developed prodrug was further confirmed in vivo where phospho-apigenin significantly suppressed by 52.8% the growth of PC-3 xenograft tumors. Additional deficiencies are also encountered in the field of diagnosis, as there are no diagnostic molecules that allow early and non-invasive diagnosis. In order to achieve an early and valid diagnosis of cancer cells, we developed diagnostic compounds that emit in the region of the proximal hilum. These compounds respond to changes in the microenvironment of cancer cells, as they carry various molecular markers in their core, and target different cellular organelles, such as mitochondria and endoplasmic reticulum. Finally, innovative strategies were used and novel fluorescent compounds emitting in the Near Infrared were developed with the aim of inhibiting the AT2 receptor of the renin-angiotensin system (RAS). In particular, these compounds have the ability, after recognition-binding to the desired target, to change their fluorescence signal, through an aggregation induced emission (AIE) phenomenon. The compounds developed were evaluated for their cytotoxic activity in breast cancer cell lines expressing different levels of the AT2 receptor. In cell lines that express the AT2 receptor, we observe a significant reduction in cell growth. These results show that inhibition of the AT2 receptor is a promising strategy for the treatment of breast cancer.

Ο καρκίνος αποτελεί τη δεύτερη αιτία θανάτου παγκοσμίως καθώς πλήττει περίπου το 1/3 του ανθρώπινου πληθυσμού. H χημειοθεραπεία διαδραματίζει ζωτικό ρόλο στη συμβατική αντιμετώπιση διαφόρων μορφών καρκίνου, ωστόσο τα ποσοστά επιβίωσης παραμένουν απογοητευτικά. Τα χαμηλά ποσοστά αποτελεσματικότητας οφείλονται στο γεγονός ότι τα ήδη κυτταροτοξικά μόρια που διατίθενται στο εμπόριο παρουσιάζουν πολλά κενά στη δράση τους. Αυτά είναι η χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα των φαρμάκων καθώς επίσης και η περιορισμένη εκλεκτικότητα τους, η οποία οδηγεί πολλές φορές σε ανεξέλεγκτη τοξικότητα. Εκτός από τα κενά που υπάρχουν στα φάρμακα της αγοράς, η ανάπτυξη νέων αντικαρκινικών παραγόντων παραμένει ιδιαίτερα δαπανηρή και αναποτελεσματική διαδικασία. Συνεπώς η επιστημονική κοινότητα έχει προσανατολιστεί σε εναλλακτικές προσεγγίσεις. Μια τέτοια προσέγγιση είναι η «ανακύκλωση» των ήδη υπαρχόντων φαρμάκων, που δεν έχουν δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα και πολλά από τα οποία έχουν αποσυρθεί, με σκοπό την αύξηση της αποτελεσματικότητας τους μέσω χρησιμοποίησης κατάλληλων φορέων που θα δύνανται να μεταφέρουν εξειδικευμένα στα καρκινικά κύτταρα τα εν λόγω κυτταροτοξικά μόρια. Σημαντικό είναι οι φορείς αυτοί να έχουν την ικανότητα να απελευθερώνουν εκλεκτικά το κυτταροτοξικό μόριο στο μικροπεριβάλλον των καρκινικών κυττάρων. Τα αυξημένα επίπεδα αλκαλικής φωσφατάσης (ALP) στο μικροπεριβάλλον του όγκου είναι χαρακτηριστικό της εξέλιξης του καρκίνου και επομένως η αναστολή της ALP θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως αποτελεσματική προσέγγιση κατά του καρκίνου. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύξαμε μια νέα στρατηγική για την αντιμετώπιση του καρκίνου, αναπτύσσοντας ένα προφάρμακο που ενεργοποιείται από την αλκαλική φωσφατάση, με σκοπό να την αναστείλει. Για να διερευνήσουμε αυτή τη νέα ιδέα, επιλέξαμε την απιγενίνη ως τον κυτταροτοξικό παράγοντα, καθώς παρουσιάσαμε για πρώτη φορά, ότι αλληλοεπιδρά άμεσα και αναστέλλει τη δράση της ALP. Συνεπώς, ορθολογικά σχεδιάσαμε και συνθέσαμε, χρησιμοποιώντας έναν αυτοδιασπώμενο συνδέτη, ένα φωσφορικό προφάρμακο με βάση την απιγενίνη που ανταποκρίνεται στην ALP, το οποίο και ονομάσαμε φωσφο-απιγενίνη. Η φωσφο-απιγενίνη αύξησε σημαντικά τη σταθερότητα της μητρικής ένωσης απιγενίνη. Επιπλέον, το προφάρμακο επέδειξε ενισχυμένη αντιπολλαπλασιαστική δράση σε καρκινικά κύτταρα με αυξημένα επίπεδα ALP, σε σύγκριση με την απιγενίνη. Αυτή η καταγεγραμμένη ισχύς του αναπτυγμένου προφαρμάκου επιβεβαιώθηκε περαιτέρω in vivo, όπου η φωσφο-απιγενίνη κατέστειλε σημαντικά κατά 52,8% την ανάπτυξη των όγκων ξενομοσχεύματος PC-3.Επιπρόσθετες ελλείψεις συναντώνται και στο τομέα της διάγνωσής, καθώς δεν υπάρχουν διαγνωστικά μόρια που να επιτρέπουν την έγκαιρη και μη επεμβατική διάγνωση. Προκειμένου να επιτευχθεί έγκαιρη και έγκυρη διάγνωση των καρκινικών κυττάρων, αναπτύξαμε διαγνωστικές ενώσεις οι οποίες εκπέμπουν στην περιοχή του εγγύς υπερθύρου. Οι ενώσεις αυτές ανταποκρίνονται στις αλλαγές του μικροπεριβάλλοντος των καρκινικών κυττάρων, καθώς φέρουν διάφορους μοριακούς ιχνηθέτες στο σκελετό τους, και στοχεύουν διαφορετικά κυτταρικά οργανίδια, όπως μιτοχόνδρια και ενδοπλασματικό δίκτυο. Τέλος, χρησιμοποιήθηκαν καινοτόμες στρατηγικές και αναπτυχθήκαν νέες ενώσεις οι οποίες εκπέμπουν στο NIR έχοντας σαν στόχο την αναστολή του ΑΤ2 υποδοχέα του συστήματος ρενίνης -ανγειοτενσίνης (RAS). Ειδικότερα, οι ενώσεις αυτές έχουν την ικανότητα, μετά από αναγνώριση-δέσμευση στον επιθυμητό στόχο, να μεταβάλλουν το σήμα φθορισμού τους, μέσω φαινομένου aggregation induced emission (ΑΙΕ). Οι ενώσεις που αναπτύχθηκαν αξιολογήθηκαν για την κυτταροτοξική δράση τους σε κυτταρικές σειρές καρκίνου του μαστού οι οποίες εκφράζουν διαφορετικά επίπεδα του ΑΤ2 υποδοχέα. Στις κυτταρικές σειρές οι οποίες εκφράζουν τον ΑΤ2 υποδοχέα, παρατηρούμε σημαντική μείωση της κυτταρικής ανάπτυξης. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι η αναστολή του ΑΤ2 υποδοχέα, αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την αντιμετώπιση του καρκίνου του μαστού.