Therapeutische Strategien zur Behandlung maligner Erkrankungen
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Therapeutische Strategien zur Behandlung maligner Erkrankungen Multiple layers of control must be inactivated to allow a cell to form cancer Normal cells are under proliferation controls that fall into 6 different categories. Tumor cells must find ways to inactivate all 6 levels of control, meaning multiple mutations must be acquired. (from Hanahan and Weinberg, Cell 100:57, Figure 1) Ansätze zur Überwindung der Resistenz • Eingriff in gestörte Signalwege – Wachstumskontrolle – Apoptoseinduktion – Zellzykluskontrolle – Invasion, Metastasierung – Angiogenese • Therapieansätze – Signaltransduktionsinhibitoren („small molecules“) – siRNA, Antisense-Oligonukleotide – Antikörper Möglichkeiten der Hemmung !Hemmung der Ligandenbindung !Hemmung der Rezeptortyrosinkinase !Hemmung nachgeschalteter Signalwege Wachstumsfaktor-vermittelte Effekte ( z.B. EGF, PDGF, IGF, NGF) Wachstums faktor Wachstumsfaktorrezeptor R R K K Extrazellulärraum Zellmembran Zytoplasma Aktivierung Zellüberleben Tumorwachstum Angiogenese Metastasierung R= Rezeptor K= Rezeptortyrosinkinase Deregulation der wachstumsfaktorvermittelten Signaltransduktion (I) Mehr Wachstumsfaktor Wachstumsfaktorrezeptor R R K K Extrazellulärraum Zellmembran Zytoplasma Aktivierung R= Rezeptor K= Rezeptortyrosinkinase Bildung von Wachstumsfaktoren durch die Tumorzellen selbst (autokrines Wachstum) Deregulation der wachstumsfaktorvermittelten Signaltransduktion (II) Wachstums faktor Wachstumsfaktorrezeptor R R R R K K K K Extrazellulärraum Zellmembran Zytoplasma Aktivierung R= Rezeptor K= Rezeptortyrosinkinase Überexpression des Rezeptors Deregulation der wachstumsfaktorvermittelten Signaltransduktion (III) Wachstums faktor Wachstumsfaktorrezeptor R R Extrazellulärraum Zellmembran K K Zytoplasma Aktivierung R= Rezeptor K= Rezeptortyrosinkinase Expression eines konstitutiv aktiven Rezeptors Wachstumsfaktorrezeptorenblocker Brustkrebs, Dickdarmkrebs Kopf-Halstumoren, Lungenkrebs Gastrointestinale Stromatumoren Trastuzumab (Herceptin ®) C225, Cetuximab Wachstums faktor Rezeptorblocker Wachstumsfaktorrezeptor R R K K Extrazellulärraum Zellmembran Zytoplasma Aktivierung Tumorwachstum Hemmung R= Rezeptor K= Rezeptortyrosinkinase HER2/neu • gehört zur Familie der Epidermalen Wachstumsfaktor Rezeptoren (c-erbB-2) • Onkogen: Protein-Überexpression aufgrund von Genamplifikation ist häufiger als Mutationen ECD ICD HER2/neu • Gen-Amplifikation und Protein-Überexpression tritt bei ca. 30% der Frauen mit Mammakarzinom auf – ist assoziiert mit schlechter Prognose • Aktiviert Zellen durch Bildung von Homodimeren, kann aber auch andere EGF-Rezeptor-Familienmitglieder transaktivieren • Signaltransduktion über ras, MAPK, AKT Trastuzumab / Herceptin = Therapeutischer, humanisierter, monoklonaler Antikörper gegen die extrazelluläre Domäne der RT-Kinase HER2/neu (humaner epidermaler Wachstumsfaktor-Rezeptor) Extrazelluläre Bindung führt zur Internalisierung des Rezeptors, Inhibition der Zellzyklusprogression über p27kip1/CDK2, Proliferation wird gestoppt, Zellen arretieren in der G1-Zellzyklusphase, sterben apoptotisch 1998 in den USA (EG: 2000) zur Behandlung von Patientinnen mit HER2-überexprimierendem Mammakarzinom zugelassen (bei ca. 30% bis zu 100x Amplifikation des Gens) ECD ICD HER2/neu Trastuzumab / Herceptin Effektive Behandlung für einige Frauen mit metastasierendem Mammakarzinom (HER2-überexprimierend): ECD ICD – nicht vorbehandelt: 30% Ansprechrate HER2/neu – nach Chemotherapie: 17% Ansprechrate – Ansprechrate gegenüber Chemotherapie plus Herceptin ist höher als das Ansprechen auf Chemotherapie allein Nebenwirkungen: In 10% der Fälle treten Schädigungen des Herzmuskels auf. Herceptin: Wirkungsmechanismus Herceptin HER2/neu x !pAKT ZellÜberleben ZellTeilung Zell-Invasion und -Migration AKT Phosphorylierung bei Mammakarzinomen HER2/neu AKT1 AKT2 Phospho-AKT Überexpression von HER2/neu ist assoziert mit AKT-Phosphorylierung D. Altomare, J. Testa Herceptin-Exposition inhibiert AKTPhosphorylierung und Dimerisierung von HER2/neu und HER3 Lane 1 – Kontrolle Lane 2 – Heregulin Lane 3 – Herceptin Relative Expression 153 209 ECD 69 !Signal ICD HER3 HER2/neu D. Altomare, J. Testa Antikörper-abhängige zelluläre Zytotoxizität Tumorzelle NK Lyse Perforin Antikörper Phagozytose Effektorzelle Die Effektivität von Herceptin und anderen Antikörpern ist verringert in der Abwesenheit der Interaktion von Antikörper-Fc-Domänen mit zellulären Fc-Rezeptoren Clynes, Presta, Ravetch Hemmung der intrazellulären Tyrosinkinase Bcr-Abl Chronisch Myeloische Leukä Leukämie (CML) Extrazellulär Zellmembran Kinaseinhibitor Imatinib (Glivec ®) Zytoplasma K Tumorzelle Intrazelluläre Kinase (Bcr-Abl) Tumorwachstum Angiogenese Chronisch myeloische Leukämie (CML) • Krebserkrankung des Blutes und des Knochenmarks • Proliferierungssignale in hämotopoetischen Stammzellen im “active state” eingefroren - zu viele Granulozyten • Kann jahrelang unauffällig bleiben, ein Teil tritt jedoch in die akzelerierte Phase und Blastenkrise ein (Risiko der Akuten Myeloischen Leukämie (AML) mit hoher Lethalität) • Diagnose: Blutbild (erhöhte Granulozytenzahl), Philadelphia-Chromosom-Nachweis (ca. 90% der Fälle) Leukämie ist charakterisiert durch Hyperproliferation unreifere weißer Blutzellen normal leukämisch Erythrozyten Weiße Blutzelle Hyperproliferation der weißen Blutzellen CML CML entsteht aus einer Stammzelle, die ein Granulozyten-Vorläufer ist (Molecular Cell Biology Lodish et al. Fig. 24.1) Klinischer Verlauf: Phasen der CML Advanced phases Chronic phase Median 5–6 years stabilization Accelerated phase Blast crisis Median duration 6–9 months Median survival 3–6 months Provided by: Gleevec.com Molekulare Ursache der CML: das “Philadelphia-Chromosom” Peter Nowell and David Hungerford “A minute chromosome in chronic granulocytic leukemia.” Science 1960, 132: 1497 Molekulare Ursache der CML: Translokation t(9;22)(q34;q11) De Klein et al. Nature 300, 765 (1982), Groffen et al. Cell 36, 93 (1984) ABL - BCR/ABL Normal Leukämie BCR BCR/ABL Nukleus konstitutiv aktive Kinase ABL geringe Kinase-Aktivität ABL/BCR Funktion ? Zytoplasma BCR-ABL-Fusionsprotein: cytoplasmatische, konstitutiv aktive Kinase verringerte Adhäsion, verstärkte Mobilität Überleben, Proliferation, Differenzierung Chronisch Myeloide Leukämie (CML) Jährliche Inzidenz: 1/100,000 (~15% aller Leukämien) Alters-Median: 30-60 Jahre Therapie-Optionen/Medianes Überleben: ! 4 Jahre mit konventioneller Chemotherapie (Hydroxyharnstoff, Busulphan) ! 6 Jahre mit auf IFN"-basierender Therapie ! Hoch-Dosis-Chemotherapie/allogene Knochenmarkstransplantation kann zur Heilung der CML führen Entwicklung von Tyrosinkinaseinhibitoren ! Unattraktiv: Inhibierung der Interaktion von TK und Ligand/Substrat durch niedermolekulare Inhibitoren ! Besser: Modulation der Kinase-Aktivität ! Mittel: ATP-kompetitive Inhibitoren ! Problematik: ~800 Serin/Threoninund Tyrosinkinasen! Alle binden ATP in hoch konservierter Weise. Spezifischer Inhibitor für eine Kinase? Tony Hunter Entwicklung von Tyrosinkinaseinhibitoren Triphosphatgruppe des ATPs wird gebunden durch mehrere konservierte, basische Aminosäurereste. Bilden zusammen mit Aspartatrest das katalytische Zentrum. Problem: Hoch-polare Moleküle wären erforderlich, um die Triphosphat/katalytische Site zu besetzen. schlechte orale Absorption, schlechte Zellpermeabilität, schlechte Pharmakokinetik Adenosin wird außer durch zwei H-Brücken über lipophile/van der Waals-Wechselwirkungen in einer geringer konservierten Umgebung gebunden fast alle ATP-kompetitiven KinaseInhibitoren zielen auf dieses Adenosin-Erkennungsmotif c-Abl-Kinasedomäne im Komplex mit Gleevec High-Throughput-TK-Inhibitor-Screening A. Biochemical Screening Enzymassays (radioaktiv, colorimetrisch oder fluoreszent) mit aufgereinigter Kinase und Substrat Vorteil: Spezifität B. Zell-basiertes Screening Reporter-Gen-Assays FRET-Assays Hefe-basierte Assays Vorteile: keine Aufreingung von aktivem Enzym/Substrat nötig Substrat aus zellulärer Umgebung Kinase-aktivität unter physiologischer Kontrolle/Regulation direkte Selektion gegen toxische Substanzen STI-571/Imatinib-Mesylate/Gleevec/Glivec In den 90er Jahren von Novartis Pharmaceuticals in High-Throughput Screens für Tyrosinkinase-Inhibitoren identifiziert Gleevec: ein spezifischer BCR-ABL-Kinase-Inhibitor Cancer Res. 1996 Jan 1;56(1):100-4. Inhibition of the Abl protein-tyrosine kinase in vitro and in vivo by a 2-phenylaminopyrimidine derivative.Buchdunger E, Zimmermann J, Mett H, Meyer T, Muller M, Druker BJ, Lydon NB. Ciba Pharmaceuticals Division, Oncology Research Department, Ciba-Geigy Limited, Basel, Switzerland. Gleevec Gleevec™: in chronic phase CML Chronic Phase CML 1.0 Major cytogenetic response 0.9 0.8 Complete cytogenetic response 0.7 Fraction of patients that responded 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Months Since Start of Treatment 10 Data: Novartis Pharmaceuticals Corporation Aber: Resistenz-Entwicklung Entwicklung von Resistenzen gegen Gleevec unter Therapie - Überexpression von BCR-ABL - Mutation von BCR-ABL (Gleevec Bindung gestört) RTK-Inhibitoren in der Entwicklung Therapie der malignen Erkrankungen Tumor Angiogenesis Angiogenese: Gefäßneubildung aus bestehenden Gefäßen (Gefäßsprossung) Vaskulogenese: Gefäßneubildung während der Embryonalentwicklung aus Angioblasten Red Blood Cells Endothelial Cells Smooth Muscle Fibroblasts Angiogenesis Vascular Sprouding Basement Membrane „Angiogenic“ Diseases To much: !Chronic Inflammations (eg. Rheumatoid arthritis !Diabetic Retinopathy !Tumors To little: !Ischemic heart disease !Stroke Angiogenesis facilitates metastasis Metastasierung korreliert eng mit der Vaskularisation des Tumors. What Is Tumor Angiogenesis? „Angiogenic Switch“ Differences: Normal vs. Tumor-associated Vessels Normal vasculature is very orderly, unbranched, nearly parallel vessels compared with tumor vasculature. Typical structure of tumor vasculature Note coiling, irregularity, Size heterogeneity With Angiogenesis, Tumor Growth Proceeds Judah Folkman, 1971 What Prompts Angiogenesis? Tumors release • bFGF (basic fibroblast growth factor = FGF-2, endothelial mitogen) • VEGF (Vascular Endothelial Growth factor) Ergo: tumor cells stimulate their life support system! Tumor growth is limited by rate of oxygen diffusion to ~200 um 100-200 um Primary growth signal is [O2], which induces a growth factor, VEGF HIF-1: Hypoxia Inducible Factor - 1 ! The studies of hypoxia response element of the erythropoietin gene leads to the discovery of HIF-1 by Semenza and Wang in 1992. ! HIF-1 is a protein with DNA binding activity. It is composed of two subunits: HIF-1" and HIF-1#. What does HIF-1 do? 1. Helps normal tissues as well as tumors to survive under hypoxic conditions 2. HIF-1 is a transcription factor that turns on genes needed for survival under hypoxic conditions. 3. So far, more than 40 target genes have been found to be regulated by HIF-1. The Angiogenesis Signaling Cascade !VEGF (-A-D) binden an VEGF-R1, -R2, -R3 (Tyrosinkinase-Rezeptoren) ! FGF (1-9) binden an FGF-R1,..-R4 sowie an Heparansulfat ANTIANGIOGENIC THERAPY ! ~ 100 biotech and big pharma companies are pursuing angiogenesis research ! 35 antiangiogenic therapies are in clinical trials Anti-angiogenic drugs ! Protease Inhibitors ! Inhibitors of endothelial proliferation and migration ! Inhibition of integrin survival signaling ! Induction of apoptosis Endostatin and Angiostatin Endostatin: !generated by proteolysis of a larger extracellular protein-- collagen XVIII !Works by binding to tropomyosin in endothelial cells Angiostatin: ! generated by proteolysis of a larger extracellular protein– Plasminogen ! Induces apoptosis in endothelial cells Angiogenesis Inhibitors and Primary Tumors ! Induction of tumor dormancy ! No development of resistance to endostatin Angiogenesis Inhibitors and Metastasis Inhibition of lung metastasis by angiostatin Strategies for targeting VEGF(R) in tumor angiogenesis Therapie der malignen Erkrankungen
