Authors:	Lahnif, Hanane
Title:	Development of novel small-molecule drug conjugates for imaging and treatment of prostate cancer
Online publication date:	5-Jan-2022
Year of first publication:	2022
Language:	english
Abstract:	Prostate cancer (PCa) is the most frequent cancer in men worldwide, behind only lung cancer. Alt-hough the 5-year survival rate of localized PC is almost 100 %, it drops dramatically to just 30 % for the advanced and metastatic form. This high mortality rate highlights not only the importance of early diagnosis, but also the urgent need for the development of new therapeutic approaches. The discovery of prostate-specific membrane antigen PSMA as a reliable tumor-associated biomarker for prostate cancer has revolutionized the management of this disease. Several efforts have been done in the last decade to develop selective and sensitive PSMA ligands for PET-imaging and endoradi-otherapy. Among these radiopharmaceuticals [68Ga]Ga-PSMA 11 was the first FDA-approved PSMA-PET radiotracer, followed with its therapeutic counterpart [177Lu]Lu-PSMA 617. In the meantime, sev-eral groups have joined the run for the best PSMA ligand. However, the development of PSMA radio-pharmaceuticals that have both favorable physicochemical properties and a beneficial pharmacokinet-ic profile remains a challenge which still need to be addressed. In this dissertation, several PSMA ligands with different structural elements were designed and investi-gated for their in vitro and in vivo properties. Based on preliminary studies, DATA5m.SA.KuE and AAZTA5.SA.KuE were selected to be evaluated more thoroughly. Both PSMA tracers have a hybrid chelator that is easily labeled under mild conditions in addition to beneficial pharmacokinetic properties regarding selectivity and tumor accumulation. Fur-thermore, AAZTA5.SA.KuE has shown promising theranostic potential as it can be labeled with the PET nuclide scandium-44 as well as the therapeutic ß--emitter lutetium-177. Moreover, a dual-targeted pamidronate-PSMA conjugate was developed to target both PSMA, which is highly expressed in tumor lesions, and the hydroxyapatite structures in bone metastases. This 177Lu-labeled conjugate showed promising results in preclinical studies. The unique and favorable properties of PSMA make it an optimal target not only in nuclear medicine and radiopharmacy but also in targeted chemotherapy. The advantages of the targeted therapy ap-proach are obvious since the discovery of antibody-drug conjugates (ADCs). However, although ADCs have represented a breakthrough in the treatment of many cancers, efforts to develop PSMA-ADCs have failed due to lack of stability, premature drug release, and high toxicity.   In order to circumvent some of these challenges, small-molecule PSMA binding moieties were used instead of antibodies. The resulting small-molecule drug conjugates (SMDCs) showed some ad-vantages over the ADCs, such as better tumor penetration due to lower molecular weight, fast clear-ance, and cost-effective synthesis. The SMDCs developed in this dissertation can be divided into two groups. The first group includes di-meric SMDCs consisting of a PSMA binding unit and the antimitotic agent MMAE. Both units are conju-gated to each other via the enzyme-cleavable linker valine-citrulline. The second group consist of tri-meric conjugates (radiolabeled SMDCs) that, in addition to the PSMA-binding moiety and the cytostatic drug, contain a chelator which is able to complex both diagnostic and therapeutic nuclides. Hence, the low-dose 68Ga-labeled SMDC is supposed to be used in the determination of the patient's suitability for therapy. In case of positive response, the patient is then treated with the 177Lu-labeled conjugate. In addition to the thereby implemented personalized medicine approach, the combination of targeted chemotherapy and radiotherapy in a single molecule, may have several advantages, such as circum-venting the development of resistance or enhancing a synergistic effect. Preclinical studies showed the promising potential of this approach in terms of good tolerability and efficacy in vivo. However, further optimization on the molecular structure of these compounds is necessary to enable a translational development. Prostatakrebs (PCa) ist nach Lungenkrebs die häufigste Krebserkrankung bei Männern weltweit. Ob-wohl die 5-Jahres-Überlebensrate bei lokalisiertem PC nahezu 100 % beträgt, sinkt sie bei der fortge-schrittenen und metastasierten Form dramatisch auf nur noch 30 %. Diese hohe Sterblichkeit macht nicht nur deutlich, wie wichtig eine frühzeitige Diagnose ist, sondern auch, wie dringend die Entwick-lung neuer Behandlungsansätze notwendig sind. Die Entdeckung des prostataspezifischen Membranantigens PSMA, als zuverlässiger tumor-assoziierter Biomarker hat die Behandlung des Prostatakarzinoms revolutioniert. In den letzten Jahren wurden mehrere Anstrengungen unternommen, um selektive und empfindliche PSMA-Liganden für die PET-Bildgebung und Radiopharmakotherapie zu entwickeln. Unter diesen Radiopharmazeutika war [68Ga]Ga-PSMA 11 der erste, von der FDA, zugelassene PSMA-PET Radiotracer, gefolgt von seinem the-rapeutischen Pendant [177Lu]Lu-PSMA 617. In der Zwischenzeit haben sich mehrere Gruppen dem Wettlauf um den besten PSMA-Liganden angeschlossen. Allerdings bleibt die Entwicklung von PSMA-Tracern, die sowohl günstige physikochemische Eigenschaften haben als auch einen vorteilhaften pharmakokinetischen Profil aufweisen, weiterhin eine Herausforderung, die es noch zu bewältigen gilt. In Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere PSMA-Liganden mit unterschiedlichen Strukturelementen entwickelt und nach ihren in vitro und in vivo Eigenschaften untersucht. Auf der Grundlage vorheriger Studien wurden die beiden PSMA-Liganden DATA5m.SA.KuE und AAZ-TA5.SA.KuE für eine präklinische Evaluierung ausgewählt. Beide PSMA-Tracer haben einen hybriden Chelator, der sich unter milden Bedingungen leicht markieren lässt sowie vorteilhafte pharmakokineti-sche Eigenschaften in Bezug auf Selektivität und Tumoranreicherung. Darüber hinaus hat sich AAZ-TA5.SA.KuE als vielversprechende theranostische Verbindung erwiesen, da sie sowohl mit dem PET-Nuklid Scandium-44 als auch mit dem therapeutischen ß- -Emitter Lutetium-177 markiert werden kann. Des Weiteren wurde ein dual-targeted Pamidronat-PSMA-Konjugat entwickelt, das sowohl die, in den Tumorläsionen hochexprimierte, PSMA als auch die Hydroxyapatit-Strukturen in den Knochenmeta-stasen adressiert. Dieses 177Lu-markierte Konjugat zeigte in präklinischen Studien vielversprechende Ergebnisse.   Die einzigartigen und vorteilhaften Eigenschaften von PSMA machen es zu einem optimalen Target nicht nur in der Nuklearmedizin und Radiopharmazie, sondern auch in der zielgerichteten Chemothe-rapie. Spätestens seit der Entwicklung der Antikörper-Wirkstoff-Konjugate (ADCs) liegen die Vorteile des zielgerichteten Therapieansatzes auf der Hand. Doch obwohl ADCs einen Durchbruch bei der Be-handlung von vielen Krebserkrankungen darstellt haben, sind die Bemühungen, ein PSMA-ADC zu entwickeln, aufgrund mangelnder Stabilität, vorzeitiger Wirkstofffreisetzung und hoher Toxizität, ge-scheitert. Um einige dieser Herausforderungen zu umgehen, wurden niedermolekulare PSMA-Bindungseinheiten anstatt Antikörper verwendet. Die daraus resultierenden niedermolekularen Wirk-stoffkonjugaten (SMDCs) zeigten einige Vorteile gegenüber ihren Vorgängern, den ADCs wie z. B. eine bessere Tumorpenetration aufgrund des geringeren Molekulargewichts, eine schnellere Clearance sowie eine kosteneffektive Synthese. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten SMDCs unterteilen sich in zwei Gruppen. Die erste Gruppe beinhaltet dimere SMDCs, die aus einer PSMA-Bindungseinheit und dem antimitotischen Wirkstoff MMAE besteht. Beide Einheiten sind über den enzymspaltbaren Linker Valin-Citrullin miteinander konjugiert. Die zweite Gruppe besteht aus trimeren Konjugaten (radiomarkierten SMDCs), die zusätz-lich zu der PSMA-Bindungseinheit und dem Zytostatikum auch einen Chelator beinhalten, der in der Lage ist, sowohl diagnostische als auch therapeutische Nuklide zu komplexieren. Damit wird mit dem niedrigdosierten 68Ga-markierten SMDC die Eignung des Patienten für die Therapie festgestellt. Im Falle eines Ansprechens wird der Patient mit der 177Lu-markierten Verbindung behandelt. Zusätzlich zu dem damit implementierten Ansatz der personalisierten Medizin könnte die Kombination einer zielge-richteten Chemotherapie und Strahlentherapie in einem einzigen Molekül einige Vorteile mit sich brin-gen, wie z.B. die Umgehung einer Resistenzbildung oder die Verstärkung eines synergistischen Effekts. Präklinische Studien zeigten das vielversprechende Potential dieses Ansatzes im Sinne einer guten Ver-träglichkeit und Wirksamkeit in vivo. Allerdings sind weitere Optimierung an der molekularen Struktur dieser Verbindungen notwendig, um eine translationale Weiterentwicklung zu ermöglichen.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences 610 Medizin 610 Medical sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-6664
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-32513f6d-a91f-4086-9f33-1ccdefd1530f8
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-ND
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
Extent:	215 Seiten, Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen