Development of 64Cu/NOTA-terpyridine platinum conjugates as chemoradiotheranostic agents

Abstract

Abstract: Colorectal cancer is one of the most prevalent cancers worldwide and in Canada that displays both intrinsic and acquired resistance to platinum based chemotherapeutic agents (Pt-CAs). Several mechanisms are involved in tumour resistance to Pt-CAs, including reduced internalization and increased efflux as well as efficient repair. To overcome platinum drug resistance new classes of Pt-CAs have been proposed, including terpyridine (TP) compounds that have a square planar structure that targets the G-quadruplex higher-ordered structure on DNA. In targeting these regions, an increased stabilization of the G-quadruplexes will occur, and, in turn, cause removal of the protective Shelterin complex from telomeres. This will trigger a DNA damage response, telomer attrition followed by the induction of cell senescence and apoptosis. The novelty of our research is first to target the DNA damaging effects of Pt-CAs toward G-rich regions of the genome, and second to attach a radioisotope as a in situ generator of reactive species that could further enhance DNA damage. Prior to my PhD thesis project, our studies suggested that low-energy electrons (LEE) were integral in the enhanced DNA damaging effects caused by ionizing radiation using radiolabeled Pt-CA. Accordingly, we synthesized two novel agents by conjugating TP to 1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triacetic acid (NOTA) chelator labeled with copper-64 (64Cu) (T1/2 = 12.7 h; EC, [43.1%]; β+, 0.653 MeV [17.8 %]; β−, 0.579 MeV [38.4 %]). 64Cu also contains a prolific and local source of LEEs known as Auger electrons that provide a potential avenue to destroy G-quadruplex domains and interfere with telomerase activity, induction of telomer shortening, and interfere with oncogene promoter activity. My main objective is to construct [64Cu]Cu-NOTA-TP conjugates 1 and 2 and investigate effects of combined chemo-radiation therapy (CRT). Mechanistically, I will investigate the interference of telomerase activity to be caused by the formation of DNA lesions and modifications due to intercalation of the Pt-CA into G-quadruplexes and determine the impact on tumor cell death. Specific objectives are as follows: 1) To assess cytotoxicity, cellular and subcellular uptake as well as efflux kinetic of [64Cu]Cu-NOTA-TP conjugates 1 and 2. 2) To investigate the therapeutic potential and safety of the most promising [64Cu]Cu-NOTA-TP conjugate. 3) To carry out positron emission tomography (PET) imaging, biodistribution and dosimetry in appropriate animal models of 1 and 2 and, thereby, determine the potential of [64Cu]Cu-NOTA-TP as a theranostic agent.

Le cancer colorectal est l'un des cancers les plus répandus dans le monde et au Canada. Il présente une résistance intrinsèque et acquise aux agents chimiothérapeutiques à base de platine. Plusieurs mécanismes sont impliqués dans la résistance des tumeurs à ces agents, y compris une internalisation réduite et un efflux accru ainsi qu'une réparation efficace. Pour surmonter la résistance aux médicaments à base de platine, de nouvelles classes de dérivés de platine ont été proposées, y compris des composés de terpyridine (TP) qui ont une structure planaire carrée ciblant les structures secondaires G-quadruplex de l'ADN. Par intercalation des TP, la stabilité des G-quadruplex sera améliorée, provoquant l'élimination du complexe protecteur Shelterin des télomères. Cela conduira à une réponse aux dommages à l'ADN, à l'attrition des télomères suivi de l'induction de la sénescence cellulaire et de l'apoptose. La nouveauté de notre recherche est d'abord de cibler les effets néfastes des TP sur l'ADN vers les régions riches en guanine du génome, et deuxièmement de fixer un radio-isotope en tant que générateur in situ d'espèces réactives qui pourrait augmenter davantage les dommages à l'ADN. Nos travaux antérieurs suggèrent que les radiations ionisantes améliorent les effets néfastes d’agents chimiothérapeutiques à base de platine sur l'ADN par la génération d'électrons à faible énergie (LEE). En conséquence, nous avons synthétisé de nouveaux agents chimioradiothéranostiques (thérapeutique et diagnostique) en conjuguant un fragment TP, qui s'intercale dans l'ADN G-quadruplex, à un chélateur d'acide 1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triacétique (NOTA) pour la complexation cuivre-64 (64Cu, T1/2 = 12,7 h; EC, [43.1%]; β+, 0,653 MeV [17,8%]; β−, 0,579 MeV [38,4%]). Via l'émission d'électrons Auger et de positrons, le 64Cu est une source prolifique et locale de LEE qui peut détruire sélectivement les domaines sensibles de l'ADN et ainsi induire la mort cellulaire par interférence avec l'activité de la télomérase, l'induction du raccourcissement des télomères et des dommages aux promoteurs oncogènes. En combinant le 64Cu avec un conjugué NOTA-TP, nous nous attendons à ce que les lésions induites par les LEE et les modifications de l'ADN dues à l'intercalation du médicament platine dans le G-quadruplex soient corrélées dans le temps et dans l'espace. Les composés [64Cu]Cu-NOTA-TP devraient également permettre l'évaluation de la captation tumorale et de la distribution tissulaire après l'administration par imagerie par tomographie par émission de positrons (TEP) du corps entier. Mon objectif principal est d'étudier les effets de la chimoradiothérapie (CRT) et les propriétés d'imagerie de deux nouveaux agents theranostiques de type [64Cu]Cu-NOTA-TP. Les objectifs spécifiques sont les suivants: 1) Évaluer la cytotoxicité, l'absorption cellulaire et subcellulaire ainsi que la cinétique d'efflux des composés [64Cu]Cu-NOTA-TP 1 et 2. 2) Étudier le potentiel thérapeutique et l'innocuité du composé [64Cu]Cu-NOTA-TP le plus prometteur. 3) Réaliser l'imagerie TEP, la biodistribution et la dosimétrie dans des modèles animaux appropriés de 1 et 2.