Questo protocollo presenta una serie di esperimenti adottati per la valutazione di peptidi antitumorali fotocommutabili, che possono essere utilizzati nello screening preclinico di tali composti. Ciò include la valutazione della citotossicità in colture cellulari 2D e 3D, la valutazione dell’efficienza di fotoisomerizzazione ex vivo (tessuto modello) e l’efficacia in vivo .
I composti fotocontrollati e biologicamente attivi sono una classe emergente di candidati farmaci “intelligenti”. Forniscono ulteriore sicurezza nella chemioterapia sistemica grazie alla loro precisa attivazione spaziotemporale dirigendo una luce benigna e non ionizzabile in una posizione specifica all’interno del corpo del paziente. Questo articolo presenta una serie di metodi per valutare la potenza in vitro e l’efficienza ex vivo della fotoattivazione di composti fotocontrollati e biologicamente attivi, nonché l’efficacia in vivo nelle prime fasi dello sviluppo di farmaci. La metodologia viene applicata ai peptidi citotossici antitumorali, vale a dire gli analoghi contenenti diariletene di un noto antibiotico, la gramicidina S. Gli esperimenti vengono eseguiti utilizzando colture cellulari 2D (cellule aderenti) e 3D (sferoidi) di una linea cellulare tumorale (carcinoma polmonare di Lewis, LLC), surrogati di tessuto vivo (carne di maiale macinata) e un modello di cancro allogenico (LLC sottocutaneo) in topi immunocompetenti. La selezione dei composti più efficaci e la stima di finestre fototerapeutiche realistiche vengono eseguite tramite microscopia a fluorescenza automatizzata. L’efficienza di fotoattivazione a diversi regimi di illuminazione viene determinata a diverse profondità in un tessuto modello e il dosaggio ottimale della luce viene applicato nell’esperimento terapeutico finale in vivo .
I composti biologicamente attivi fotocontrollati sono emersi negli ultimi decenni come componente promettente delle chemioterapie sicure per le malattie umane e per sradicare specificamente i tumori solidi maligni1. Questi composti contengono frammenti reversibilmente fotoisomerizzabili (fotointerruttori molecolari) e possono alternare tra fotoisomeri inattivi e attivi dopo irradiazione con luce di diverse lunghezze d’onda.
Rispetto ai loro analoghi non fotocontrollabili, i farmaci fotocontrollati possono essere più sicuri perché possono essere introdotti sistemicamente nel corpo del paziente in forme meno attive ed essenzialmente non tossiche, e sono quindi attivati dalla luce solo dove necessario, come nei tumori, nelle ulcere e nelle ferite. Sebbene molteplici dimostrazioni entusiasmanti di tali prototipi di farmaci molecolari possano essere trovate in recenti articoli accademici 2,3,4,5,6,7, il campo della fotofarmacologia clinica – un’applicazione di combinazioni di farmaci / dispositivi medici / malattie approvate – non esiste. La fotofarmacologia è ancora in fase di scoperta di farmaci e gli studi preclinici sistematici sono sconosciuti.
Solo recentemente abbiamo dimostrato il vantaggio di sicurezza in vivo per alcuni peptidi antitumorali fotocontrollati, vale a dire, gli analoghi del peptide antibiotico gramicidina S8. Questi derivati fotocontrollati contengono un fotointerruttore diariletene (DAE), che subisce trasformazioni fotoindotte reversibili tra le cosiddette fotoforme “anulari” generate dalla luce rossa e “ad anello” generate dai raggi UV (illustrate nella Figura 1 per uno dei derivati, composto LMB002).
Figura 1: Peptide citotossico fotocontrollato LMB002 e sua fotoisomerizzazione. Il frammento di diariletene è mostrato in rosso. Abbreviazione: DAE = diariletene. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Trovare hit ed eseguire l’ottimizzazione hit-to-lead spesso richiede lo screening in vitro e in vivo di librerie di composti appropriate 9,10. Qui, dimostriamo una metodologia adatta per lo screening sistematico ad alto rendimento della citotossicità di composti fotocontrollati. Determiniamo anche l’efficienza della fotoisomerizzazione, stimiamo la dose di luce nei tessuti modello e valutiamo l’efficacia in vivo dei candidati con le migliori prestazioni. L’approccio è conforme alle considerazioni di bioetica e cura degli animali.
In questo lavoro, i metodi preclinici tradizionali sono modificati per evitare la fotoisomerizzazione non controllata dei composti testati. L’obiettivo generale dell’applicazione di questi metodi modificati nel presente documento è quello di sviluppare una strategia generale che sia semplice e veloce e produca dati statisticamente significativi per confrontare in modo affidabile le attività in vitro e razionalizzare i test di efficacia in vivo dei composti fotocommutabili per l’identificazione del piombo e l’ulteriore sviluppo.
La strategia consiste in tre fasi consecutive. Il primo passo prevede la determinazione di IC 50 (vitalità cellulare apparente del50 %) in diluizioni seriali per le fotoforme attive e inattive di composti biologicamente attivi fotocontrollati selezionati utilizzando colture cellulari bidimensionali (2D, monostrato) e tridimensionali (3D, sferoidi) e microscopia a fluorescenza confocale ad alta produttività. Le finestre fototerapeutiche vengono confrontate rispetto alla differenza IC50 tra le due fotoforme e vengono selezionati i candidati più performanti. Non vi è alcun vantaggio specifico nella valutazione della tossicità mediante microscopia automatizzata e altre piattaforme di screening della citotossicità (saggi)11; Modelli tumorali più complessi basati su cellule12 potrebbero essere facilmente implementati in questa fase.
Per i composti selezionati nella fase 1, il secondo passo consiste nel stimare realisticamente la loro efficienza di fotocommutazione all’interno dei tessuti in funzione della profondità dalla superficie del tessuto irradiato quantificando l’efficienza di fotocommutazione delle fotoforme meno attive in un surrogato tissutale utilizzando la cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) rilevata dai raggi UV di estratti di campioni irradiati. In vivo , l’efficienza della fotocommutazione potrebbe essere studiata, ma proponiamo di utilizzare un semplice surrogato tissutale: carne di maiale macinata. Abbiamo testato la validità di questo approccio. Abbiamo misurato la conversione dei nostri composti fotocommutabili in vivo su un modello di cancro di topi e osservato approssimativamente la stessa fotoconversione a una profondità misurata in precedenti esperimenti con topi8. È possibile utilizzare qualsiasi tessuto artificiale alternativo adatto13, tessuto / organo biostampato 3D14, materiali bioptici o altro materiale animale esente. Tuttavia, questa configurazione è un buon compromesso in quanto è economica, veloce ed etica.
Il terzo passo è la determinazione dell’efficacia antitumorale in vivo in un modello di cancro murino. I composti che dimostrano caratteristiche superiori negli esperimenti in vitro e la commutazione fotografica efficiente a una profondità di almeno 1-1,5 cm nei tessuti modello sono selezionati per questo esperimento.
Questo protocollo può essere applicato a composti che possiedono diversi tipi di fotointerruttori, a condizione che le loro fotoforme (o i loro stati fotostazionari, PSS) siano stabili per un tempo ragionevole (alcuni giorni o più). A titolo illustrativo, viene utilizzato un LMB002 derivato da DAE descritto in precedenza15. Le fotoforme LMB002 sono termicamente stabili e possono essere conservate a -20 °C per almeno un anno senza degradazione sostanziale. Le cellule del carcinoma polmonare di Lewis (LLC) sono scelte per questa dimostrazione in vitro e in vivo, ma non sono imposte restrizioni sul tipo di cellula. Le cellule LLC sono aderenti, facilmente coltivabili in 3D e utilizzate per generare tumoroidi (come descritto nel riferimento16). In vivo Le cellule LLC sono utilizzate per modellare i processi metastatici e possono facilmente generare tumori solidi in topi immunocompetenti dopo iniezione sottocutanea. Questa metodologia in vivo può essere universalmente applicata ad altri modelli di cancro17,18. L’attuazione dettagliata di questa strategia è descritta di seguito.
I composti fotocontrollati sono senza precedenti nello sviluppo di farmaci; tuttavia, non sono stati stabiliti metodi per la loro valutazione preclinica e clinica. L’analogo monoterapia più vicino, la terapia fotodinamica (PDT), è la modalità di trattamento per uso clinico adottata da molti paesi contro il cancro ed è in fase di sviluppo per altre indicazioni19,20. Analogamente alla fotofarmacologia, anche la PDT si basa sull’uso della luce per attivare la sostanza bioattiva (ossigeno singoletto). Pertanto, alcuni metodi sperimentali utilizzati per studi preclinici e clinici in PDT possono essere adottati per la fotofarmacologia. Ad esempio, le sorgenti luminose, gli approcci di erogazione della luce e i dispositivi medici sono ben sviluppati e approvati per la PDT; Possono essere utilizzati direttamente per la valutazione di farmaci fotocontrollati. Tuttavia, PDT e fotofarmacologia hanno molte distinzioni l’una dall’altra4, il che giustifica la necessità di stabilire metodi specifici per quest’ultima.
In primo luogo, la sostanza non attivata nella PDT (ossigeno) è sempre presente nei tessuti viventi a concentrazioni non tossiche. Al contrario, i composti biologicamente attivi fotocontrollati non attivati possono avere attività residua e tossicità indesiderata. Pertanto, i farmaci fotofarmacologici ideali dovrebbero aver minimizzato l’attività biologica nella loro forma somministrata e devono essere altamente attivi nella loro forma generata dalla luce, la “finestra fototerapeutica”21 deve essere la più ampia possibile. Trovare il colpo ed eseguire l’ottimizzazione hit-to-lead richiede l’identificazione di composti adatti e lo screening di librerie relativamente grandi, già nelle prime fasi dello sviluppo del farmaco. Qui, abbiamo proposto una microscopia fluorescente confocale automatizzata ad alta produttività per identificare composti fotocommutatori efficienti.
Il metodo scelto per la valutazione della citotossicità consente una facile implementazione del requisito più critico: mantenimento del PSS o stabilità del fotoisomero sensibile alla luce visibile. Questo perché, al momento della sua implementazione, l’esposizione alla luce è ridotta al minimo. Quindi, se si selezionano metodi alternativi, dovrebbero essere preferiti quelli automatizzati. Questo approccio è affidabile e informativo. L’uso di colture cellulari 3D (sferoidi) in questa fase fornisce una comprensione olistica della risposta della cellula al trattamento in un microambiente simile a un tessuto più realistico. Inoltre, è possibile ottenere preziose informazioni sul meccanismo d’azione dei composti utilizzando la microscopia come metodo diretto. La microscopia fluorescente confocale con adeguato protocollo di colorazione consente la valutazione visiva della morfologia delle cellule e degli sferoidi; È inoltre possibile rilevare dettagli importanti sulla morte cellulare e sui cambiamenti all’interno delle cellule.
In secondo luogo, l’applicazione leggera richiede un’attenta scelta del dosaggio della luce. Nella PDT, il sovradosaggio leggero è estremamente dannoso per i tessuti22. La terapia fotofarmacologica può essere vantaggiosa in caso di irradiazione luminosa eccessiva. Il limite superiore della sostanza attivata è definito dalla dose somministrata della sostanza non attivata e dalla sua farmacocinetica. Tuttavia, il dosaggio leggero è ancora un problema in fotofarmacologia. Si deve prestare attenzione affinché la densità di potenza irradiante e il tempo di esposizione non siano inferiori ai requisiti per la terapia. In linea di principio, la generazione della sostanza attivata può essere monitorata in vivo. Tuttavia, per ragioni bioetiche, abbiamo proposto un esperimento con un tessuto modello (carne macinata fresca) mescolato con il composto non attivato15. Questo esperimento è semplice e può essere modificato per utilizzare diverse fonti di luce. Può anche essere adattato per la stima fotofisica del dosaggio della luce e la misurazione delle influenze termiche. Anche in questo caso, utilizzando tessuti modello, l’esposizione alla luce è possibile minimizzare, rispetto, ad esempio, alla più accurata determinazione dell’efficienza di fotocommutazione nelle condizioni in vivo , un’alternativa che può essere sempre interessante da considerare.
Infine, i composti che dimostrano caratteristiche superiori negli schermi di tossicità in vitro e sono efficientemente fotocommutati ad almeno 1-1,5 cm di profondità nel tessuto modello possono essere selezionati per studi in vivo costosi, laboriosi e lunghi. In questo protocollo, abbiamo utilizzato la stessa linea cellulare (LLC) della valutazione in vitro per generare il modello di cancro allotrapianto. La dinamica di crescita del tumore, la mortalità e la conta delle metastasi sono i parametri più adatti per valutare l’efficacia antitumorale. Rispetto alla chemioterapia convenzionale, un fattore aggiuntivo viene applicato nel trattamento fotofarmacologico: la luce. Pertanto, sono necessari due gruppi di animali di controllo: uno che riceve solo il veicolo e l’altro che riceve il veicolo e l’irradiazione. Questa configurazione consente di valutare l’impatto della luce sui parametri misurati. Nel nostro esperimento, gli animali dei due gruppi sperimentali hanno ricevuto il composto non attivato e i tumori dei topi in un gruppo sono stati irradiati. Il regime di irradiazione era identico per i gruppi di controllo e di trattamento. Il confronto con la chemioterapia di riferimento non è necessario in questa fase perché lo scopo principale dell’esperimento è dimostrare l’effetto combinato dell’applicazione leggera e composta. I composti più performanti che presentano questo effetto possono quindi essere selezionati per ulteriori studi sulla loro tossicità in vivo e confronto con parametri di riferimento per prendere importanti decisioni go-no-go sul loro sviluppo. Tecnicamente, l’esperimento in vivo che descriviamo può essere facilmente adattato a studi di farmacocinetica o farmacodinamica, ad esempio, di un composto che è già selezionato come farmaco principale.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori riconoscono il finanziamento dell’UE da parte del programma H2020-MSCA-RISE attraverso i progetti PELICO (#690973) e ALISE (#101007256). Questo lavoro è stato supportato dal DFG-GRK 2039 (SA, TS e ASU), dal programma NACIP della Helmholtz Society (SA e ASU) e dal VIP + del BMBF (OB e ASU). Riconosciamo il Dr. Serhii Koniev, Karlsruhe Institute of Technology, che ha sintetizzato il composto LMB002, lo ha purificato e ha gentilmente fornito il composto per lo studio. Gli autori sono anche grati a Chupryna Maksym che ha filmato e compilato il video in Ucraina, e a tutti i coraggiosi difensori dell’Ucraina che hanno reso possibile il lavoro sperimentale, la scrittura e le riprese di questa pubblicazione.
Agilent 1100 Series capillary LC system | ALSI-Chrom (Agilent distributor) | – | |
ATCC CRL-1642, LL/2 (LLC1) Lewis lung carcinoma cell line | ECACC | 90020104 | |
C57BL/6NCrl mice, female, inbred | Charles River | Strain code: 027 | |
CelCulture, CO2 incubator | Esco Micro | CCL-170B | |
Corning Matrigel Basement membrane matrix | Merck | CLS354234 | |
Corning, 384- well spheroid microplates | Merck | CLS3830 | |
Fetal bovine serum | Merck | F7524 | |
Gibco, DPBS | Thermo Fisher Scientific | 21600044 | |
Gramicidin S | Lumobiotics | Custom synthesis | |
HyClone, DMEM/high glucose | Cytiva | SH30003.04 | |
IN Cell Analyzer 6500HS, imaging system | Cytiva | 29240358 | |
Invitrogen, Calcein AM | Thermo Fisher Scientific | C1430 | |
Isoflurane anesthesia machine | ASA | S/N ASA 1305 | |
L-glutamine, 200 mM solution | Merck | G7513 | |
LIKA-surgeon, diode surgery laser | Fotonika plus | – | |
LMB002 | Lumobiotics | Custom synthesis | |
Penicillin–Streptomycin, solution stabilized | Merck | P4333 | |
PhenoPlate, 96-well plates | PerkinElmer | 6055302 | |
Photometer PCE-LED 20 | PCE Instruments | PCE-LED 20 | |
Thermo Scientific, Hoechst 33342 | Thermo Fisher Scientific | 62249 | |
Thermo Scientific, Propidium iodide | Thermo Fisher Scientific | J66764-MC | |
Trypan blue, 0.4% solution | Merck | T8154 | |
Trypsin–EDTA, 10 x solution | Merck | T4174 | |
UltraCruz Cell culture flasks with vented caps, 75 cm2 | Santa Cruz Biotechnology | sc-200263 | |
UltraCruz, bottle top filters, PES, 0.22 μm | Santa Cruz Biotechnology | sc-360882 | |
Vydac 218TP, C18 HPLC column (4.6 mm × 250 mm, 5 µm) | Altmann Analytik (Avantor distributor) | GR5103827 |