Dokument: Gaining mechanistic insights into mitochondrial complex I inhibitors as potential anti-cancer drugs by using a preclinical toxicological in vivo test battery

Titel:	Gaining mechanistic insights into mitochondrial complex I inhibitors as potential anti-cancer drugs by using a preclinical toxicological in vivo test battery
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=57718
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20211117-113816-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Fritz, Sabrina Anna-Maria [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 16,17 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 21.10.2021 / geändert 21.10.2021
Beitragende:	Prof.Dr. Schmuck, Gabriele [Gutachter] Prof. Dr. Lammert, Eckhard [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	In recent years, mitochondrial metabolism evolved as a target for cancer therapy, especially for tumors relying on oxidative metabolism. Complex I is suggested as one possible site of action for anti-cancer drugs. In this context, various studies have shown that the biguanides and anti-diabetic agents metformin and phenformin can inhibit tumorigenesis in vitro and in vivo, for which mitochondrial complex I inhibition is discussed as a mechanism of action. Furthermore, rotenone, a well-known and strong complex I inhibitor, has shown anti-cancer activity in several studies. Yet rotenone is also associated with severe systemic toxic effects, like its neurotoxicity, disqualifying it as an anti-cancer drug. Therefore, the aim of this thesis was to compile a suitable early preclinical toxicological in vivo test battery to analyze and compare the strong complex I inhibitor rotenone with the suggested complex I inhibitors metformin and phenformin. These investigations shall help to elucidate potential mechanisms, which render biguanides, especially metformin, apparently less toxic than rotenone. Moreover, they are suggested to support oncology research for screening of new drug candidates by defining the required characteristics of such an inhibitor, yet with an improved risk-benefit balance. To reach this goal, rats were orally treated with the three compounds daily for 1, 3 or 14 consecutive days. The test battery included classical clinical endpoints, such as histopathology, clinical chemistry and hematology, as well as supportive investigations, like FACS-analysis and enzymatic activity assays in combination with gene expression analysis. These investigations demonstrated that the mechanistic profile of phenformin appears similar to that of rotenone, however, at a quantitatively reduced level. It seemed that the treatment of rats with these compounds lead to utilization of all available metabolic sources to maintain the most vital functions. In contrast, metformin showed only transient similarities after one day of treatment compared to rotenone and phenformin. This was especially obvious for the gene expression changes induced by metformin, which were qualitatively similar to rotenone on day 1, but then changed the direction of deregulation for some genes at the later time points. This might be explained by the different molecular properties of metformin, compared to rotenone or phenformin, which self-limits its entry into mitochondria and thus its inhibitory effects there, avoiding the exhaustion of all energy stores. In conclusion, the detailed molecular characterization of these compounds using the proposed preclinical experimental model with multiple time points and different toxicological endpoints could serve to support the identification of new drug candidates with a still tolerable safety profile like metformin, but with potentially increased efficacy. In den letzten Jahren rückte der mitochondriale Stoffwechsel für eine gezielte Krebstherapie in den Fokus, insbesondere für die Behandlung von Tumoren, die auf oxidativen Stoffwechsel angewiesen sind. Hier wird Komplex I als ein möglicher Wirkort für ein Anti-Krebsmittel beschrieben. Die Biguanide und Antidiabetika Metformin und Phenformin zeigten in verschiedenen Studien, dass sie die Tumorbildung hemmen können, wobei die mitochondriale Komplex-I-Hemmung als Wirkmechanismus diskutiert wird. Rotenon, ein bekannter starker Komplex I-Inhibitor, hat in mehreren Studien ebenfalls eine krebshemmende Wirkung gezeigt, wurde aber durch seine schwere, systemische Toxizität als Krebsmedikament ausgeschlossen. Ziel dieser Arbeit war es daher, eine geeignete frühe präklinische toxikologische in vivo-Testbatterie zusammenzustellen, um den starken Komplex I-Inhibitor Rotenon mit den mutmaßlichen Komplex I-Inhibitoren Metformin und Phenformin zu vergleichen. Diese Untersuchungen sollten dabei helfen, mögliche Mechanismen aufzudecken, die die geringere Toxizität der Biguanide, insbesondere Metformin, im Vergleich zu Rotenon erklären. Darüber hinaus könnte die onkologische Forschung beim Screening neuer Medikamentenkandidaten unterstützt werden, indem die erforderlichen Eigenschaften eines solchen Inhibitors mit einem besseren Nutzen-Risiko-Verhältnis definiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Ratten täglich bis zu 14 Tage oral mit den drei Substanzen behandelt. Die Testbatterie umfasste klassische klinische Endpunkte, wie Histopathologie, klinische Chemie und Hämatologie, mit unterstützenden Untersuchungen, wie FACS-Analysen und enzymatischen Aktivitäts-Assays, in Kombination mit Genexpressionsanalysen. Diese Untersuchungen zeigten für Phenformin ein ähnliches mechanistisches Profil im Vergleich zu Rotenon, wenn auch auf einem quantitativ reduzierten Level. Es schien, dass die Behandlung der Ratten mit diesen Substanzen zu einer Nutzung aller verfügbaren Stoffwechselressourcen zur Aufrechterhaltung der lebenswichtigen Funktionen führte. Im Gegensatz dazu zeigte das Profil von Metformin nur am ersten Behandlungstag vorübergehende Ähnlichkeiten zu Rotenon und Phenformin. Dies wurde insbesondere im Genexpressionsmuster deutlich. An Tag 1 wies dieses qualitativ ähnlich induzierte Genexpressionsänderungen wie bei Rotenon auf, zeigte aber zu späteren Zeitpunkten eine veränderte Richtung der Deregulation einiger Gene. Erklärt werden könnte dies durch die unterschiedlichen molekularen Eigenschaften von Metformin im Vergleich zu Rotenon oder Phenformin, wodurch es seinen Eintritt in die Mitochondrien und damit seine hemmenden Effekte selbst limitiert, sodass eine Ausschöpfung aller Energiespeicher vermieden wird. Folglich könnte die detaillierte molekulare Charakterisierung dieser Substanzen anhand der vorgeschlagenen präklinischen Testbatterie als Unterstützung bei der Suche nach neuen Wirkstoffkandidaten dienen, die ein noch tolerierbares toxikologisches Profil wie Metformin aufweisen, aber potenziell wirksamer wären.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	17.11.2021
Dateien geändert am:	17.11.2021
Promotionsantrag am:	29.04.2021
Datum der Promotion:	02.09.2021