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Resistance formation after initial therapy response (acquired resistance) is common in high-risk neuroblastoma patients. YM155 is a drug candidate that was introduced as a survivin suppressant. This mechanism was later challenged, and DNA damage induction and Mcl-1 depletion were suggested instead. Here we investigated the efficacy and mechanism of action of YM155 in neuroblastoma cells with acquired drug resistance. The efficacy of YM155 was determined in neuroblastoma cell lines and their sublines with acquired resistance to clinically relevant drugs. Survivin levels, Mcl-1 levels, and DNA damage formation were determined in response to YM155. RNAi-mediated depletion of survivin, Mcl-1, and p53 was performed to investigate their roles during YM155 treatment. Clinical YM155 concentrations affected the viability of drug-resistant neuroblastoma cells through survivin depletion and p53 activation. MDM2 inhibitor-induced p53 activation further enhanced YM155 activity. Loss of p53 function generally affected anti-neuroblastoma approaches targeting survivin. Upregulation of ABCB1 (causes YM155 efflux) and downregulation of SLC35F2 (causes YM155 uptake) mediated YM155-specific resistance. YM155-adapted cells displayed increased ABCB1 levels, decreased SLC35F2 levels, and a p53 mutation. YM155-adapted neuroblastoma cells were also characterized by decreased sensitivity to RNAi-mediated survivin depletion, further confirming survivin as a critical YM155 target in neuroblastoma. In conclusion, YM155 targets survivin in neuroblastoma. Furthermore, survivin is a promising therapeutic target for p53 wild-type neuroblastomas after resistance acquisition (neuroblastomas are rarely p53-mutated), potentially in combination with p53 activators. In addition, we show that the adaptation of cancer cells to molecular-targeted anticancer drugs is an effective strategy to elucidate a drug’s mechanism of action.
In dieser Arbeit wurde YM155 anhand eines Neuroblastom-Zellmodells bezüglich seiner antitumoralen Wirkung, sowie möglicher Resistenzmechanismen untersucht. Mit Hilfe eines Viabilitäts-‚Screenings‘ wurde eine Auswahl von 113 chemosensitiven und chemoresistenten Neuroblastomzellen auf mögliche Kreuzresistenzen gegen YM155 untersucht. Hinsichtlich der IC50 Werte gegen YM155, lagen insgesamt 74 % der untersuchten Zelllinien im therapeutisch erreichbaren Bereich von unter 50 nM. Zusätzlich wurden Neuroblastom-, Mammakarzinom- und Prostatakarzinomzellen an eine klinisch relevante YM155 Konzentration adaptiert. Diese zeigten wiederum, dass durch die Adaptierung hervorgerufene Expressionsänderung des ABC-Transporters ABCB1 und des ‚solute carrier‘ Protein SLC35F2 eine bedeutsame Rolle hinsichtlich des Resistenzmechanismus gegen YM155 spielen. Durch den Einsatz von spezifischen ABCB1-Inhibitoren, als auch durch siRNA-vermittelte Reduzierung von ABCB1 konnte eine Abhängigkeit für die Wirksamkeit YM155 von ABCB1 in Neuroblastomzellen bestätigt werden. Des Weiteren wurde in den untersuchten Zelllinien ein Zusammenhang zwischen der Wirkung von YM155 und der Expression des ‚solute carrier‘ Proteins SLC35F2 hergestellt. Dazu wurden Zellen mit verminderter SLC35F2 Expression verwendet, welche durch Transduktion mit einem für eine SLC35F2 spezifische shRNA kodierenden Vektor etabliert wurden. Dabei führte eine verminderte SLC35F2 Expression zu einer starken Minderung der Sensitivität gegen YM155. Das Zusammenspiel dieser beiden Transporter und der damit verbundene Resistenzmechanismus gegen YM155, konnte in fast allen etablierten YM155-resistenten Zelllinien (UKF-NB-3rYM15520, 22RV1rYM155300, PC-3rYM15520, HCC-1806rYM15520 und MDA-MB-231rYM15520) gezeigt werden. Wobei diese Zellen unabhängig von der Tumorentität als Resistenzmechanismus gegen YM155 entweder eine signifikant induzierte ABCB1 Expression (verstärkter YM155 Efflux) und/oder eine verminderte SLC35F2 Expression (verringerter YM155 Influx) entwickelten. Außerdem konnte mit Hilfe der p53-depletierten Zelllinie UKF-NB-3pc-p53 eine Abhängigkeit der YM155 Wirkung vom Tumorsuppressor p53 nachgewiesen werden, wobei es durch die Depletierung von p53 zu einer verminderten Sensitivität der Zellen gegen YM155 kam. Zudem kam es durch die Nutlin-3 hervorgerufene p53 Aktivierung und Akkumulierung zu einer Verstärkung der YM155 Wirkung in den untersuchten Zellen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der p53 Status von Zellen einen Einfluss auf deren YM155 Resistenz haben kann. Da in der Behandlung von Neuroblastomen neben der Chemotherapie auch Bestrahlung eingesetzt wird, wurde zusätzlich untersucht ob eine Adaptierung von Neuroblastomzellen an YM155 zu einer verminderten Sensitivität gegen Bestrahlung führen kann. Da die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten UKF-NB-3 Zelllinien (UKF-NB-3 und UKF-NB-3rYM15520) eine ähnliche Sensitivität gegenüber der Bestrahlung aufwiesen, konnte kein Zusammenhang zwischen einer Adaptierung an YM155 und der Ausbildung einer Bestrahlungsresistenz gezeigt werden.
Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit war es, den primären Wirkmechanismus von YM155 in Neuroblastomzellen zu untersuchen. In vorangegangenen Studien wurde die vom Hersteller beschriebene Wirkung von YM155 als Survivin-Inhibitor in Frage gestellt. Stattdessen soll der primäre Apoptose-induzierende Effekt in erster Linie durch DNA-Schäden hervorgerufen werden, während die Survivin Inhibierung lediglich darauf folgen soll. In einer zeitlichen und konzentrationsabhängigen Kinetik der YM155 Behandlung konnte in UKF-NB-3 Zellen der genaue Zeitpunkt der Survivin-Inhibierung und der Induktion der DNA-Schadensantwort ermittelt werden. Dabei konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass in Neuroblastomzellen als Antwort auf die YM155 Behandlung zuerst eine Survivin-Inhibierung erfolgt, und die DNA-Schadensantwort als Folge dieser induziert wird. Darüber hinaus belegte die siRNA-vermittelte Survivin-Inhibierung in UKF-NB-3 und UKF-NB-6, dass eine fehlende Survivin Expression die DNA-Schadensantwort induziert.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals in YM155 adaptierten Neuroblastomzellen der Resistenzmechanismus gegen YM155 näher untersucht werden und darüber hinaus wurde demonstriert, dass die Wirkung von YM155 in Neuroblastomzellen nicht auf die Induktion der DNA-Schadensantwort beruht, sondern primär auf die Survivin-Inhibierung zurückzuführen ist.
The CDK inhibitor SNS-032 had previously exerted promising anti-neuroblastoma activity via CDK7 and 9 inhibition. ABCB1 expression was identified as major determinant of SNS-032 resistance. Here, we investigated the role of ABCB1 in acquired SNS-032 resistance. In contrast to ABCB1-expressing UKF-NB-3 sub-lines resistant to other ABCB1 substrates, SNS-032-adapted UKF-NB-3 (UKF-NB-3rSNS- 032300nM) cells remained sensitive to the non-ABCB1 substrate cisplatin and were completely re-sensitized to cytotoxic ABCB1 substrates by ABCB1 inhibition. Moreover, UKF-NB-3rSNS-032300nM cells remained similarly sensitive to CDK7 and 9 inhibition as UKF-NB-3 cells. In contrast, SHEPrSNS-0322000nM, the SNS-032-resistant sub-line of the neuroblastoma cell line SHEP, displayed low level SNS-032 resistance also when ABCB1 was inhibited. This discrepancy may be explained by the higher SNS-032 concentrations that were used to establish SHEPrSNS-0322000nM cells, since SHEP cells intrinsically express ABCB1 and are less sensitive to SNS-032 (IC50 912 nM) than UKF-NB-3 cells (IC50 153 nM). In conclusion, we show that ABCB1 expression represents the primary (sometimes exclusive) resistance mechanism in neuroblastoma cells with acquired resistance to SNS-032. Thus, ABCB1 inhibitors may increase the SNS-032 efficacy in ABCB1-expressing cells and prolong or avoid resistance formation.