Titelaufnahme

Cancer is a complex heterogeneous disease for which there is no single one-size-fits-all treatment. Precision medicine is becoming a powerful tool for medical practice, as focus is put on inter-patient variability and understanding of the molecular signaling perturbations induced by malignant transformation. Conversely, deciphering the molecular mechanism of drugs in tumor cells can reveal insights into disease biology. We set out to research therapeutics using systems-level approaches. First we developed a refined methodology to characterize the cellular target profiles of small molecules based on chemical proteomics. We have implemented a new strategy that evidently enhanced cognate target elution efficiency and proved to be effective and generically applicable, since the enhancement was evident in either in chemical immobilization of compounds on an inert matrix or biotinylated compounds on avidin-functionalized resins. This knowledge may lead to exploitation of the full potential of drug candidates, while revealing off-target effects that often lead to toxicity. Using chemical proteomics, we discovered that MTH1 (NUDT1), a nucleotide pool sanitizing enzyme, has a global role in tumorigenesis. We showed that loss-of-function of MTH1 impairs the growth of KRAS mutant tumor cells and that MTH1 inhibitors cause DNA damage in cancer cells. Moreover, we found that the (S)-enantiomer of the kinase inhibitor crizotinib is a nanomolar inhibitor of MTH1 catalytic activity while(R)-crizotinib was inactive. All in all, our results suggest nucleotide pool homeostasis as an interesting intervention point for cancer therapy. Combinations of inhibitors are proposed as a method to overcome the resistance caused by compensatory pathways and to lessen the toxic side effects through reduced dosing, which is especially appealing in pediatric tumors. Using a parallel phenotypic combinatorial screening approach, we identified disease specific interactions of targeted agents. We observed a highly potent synergy in neuroblastoma, between the kinase inhibitor lapatinib and anticancer compound YM155. We found that the inhibition of ABCB1 efflux transporter by lapatinib led to considerable increase in intracellular concentration of YM155; this allowed the prolonged and elevated cytotoxicity specific for resistant neuroblastoma cells expressing high levels of ABCB1. Next, we retrieved combinations specific for Ewing sarcoma; e.g. concomitant treatment with the clinically evaluated multikinase inhibitor PKC412 and IGF1R/INSR inhibitors proved to be strongly synergistic. We profiled PKC412 by chemical proteomics and found that the compound exerts its cytotoxic effect by inhibiting crucial Ewing sarcoma signaling routes. We showed that a particular drug combination-induced alteration of phosphorylation events was responsible for the synergistic effect since a large portion of signaling events were unique for the combinatorial treatment. Finally, we focused on the phenomenon of drug resistance and drug action. Although YM155 was developed as a survivin inhibitor, the precise molecular mechanism was unknown. We used a haploid genetic screen to reveal an absolute interdependency between YM155 action and SLC35F2, a member of the solute carrier protein family that is overexpressed in a number of malignancies. We further showed that YM155 conferred its cytotoxicity via DNA intercalation in cells expressing SLC35F2, leading to a DNA damage response and apoptotic cell death. This gene-drug interaction might offer a specific targeting strategy of DNA damage to tumor cells with elevated levels of SLC35F2 expression. We used different techniques to profile drugs and drug combinations and characterize cancer vulnerabilities. The results demonstrate that a holistic, integrated systems pharmacology approach can contribute towards better understanding of cancer biology and identify new alternative therapeutic regimens.

Das Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung bestehender Medikamente mittels system-biologischer Verfahren. In einem ersten Schritt verbesserten wir eine spezifische Methode, um zelluläre Zielproteine von Arzneimitteln mittels "chemical proteomics" mit höherer Sensitivität zu identifizieren. Diese neue experimentelle Strategie ist sowohl für Arzneimittel mit chemischer Immobilisierung auf einer inerten Matrix als auch für biotinylierte Verbindungen an Avidin-funktionalisierten Adsorbenzien anwendbar. Diese technische Verbesserung kann dazu beitragen sowohl das Wirkpotential bestehender Arzneimittelkandidaten zu erweitern als auch mögliche Nebeneffekte, die oft zu erhöhter Toxizität führen zu identifizieren. Durch die Anwendung dieser neuen experimentellen "chemical proteomics" Strategie entdeckten wir, dass MTH1 (NUDT1), ein Nukleotidpool Erhaltungsenzym, eine globale Rolle in der Tumorgenese spielt. Wir konnten zeigen, dass der zelluläre Funktionsverlust von MTH1 das Wachstum von KRAS-mutierten Tumorzellen beeinträchtigt und darüber hinaus MTH1 Inhibitoren DNA-Schäden in Krebszellen verursachen. Anknüpfend konnten wir das (S)-Enantiomer des Kinaseinhibitors crizotinib als einen nanomolaren katalytischen MTH1 Inhibitor identifizieren wohingegen (R)-crizotinib keine Wirkung zeigte. Zusammenfassend enthüllen unsere Ergebnisse, dass die Nukleotidpool Homöostase einen neuen interessanten Angriffspunkt zur Krebstherapie darstellt. Die Kombination von verschiedenen Therapeutika findet als Verfahren in der Klinik breite Anwendung um unter anderem Resistenzen, die durch veränderte und adaptierte Signaltransduktionswege induziert wurden, entgegenzutreten. Darüber hinaus kann eine Kombinationsbehandlung toxische Nebenwirkungen durch reduzierte Dosierung der Einzelsubstanz verringern. Dies ist eine besonders attraktive Eigenschaft bei der Behandlung von pädiatrischen Tumoren. Mit Hilfe eines phänotypischen kombinatorischen Screening Ansatzes konnten wir tumorspezifische Kombinationen von zielgerichteten Krebstherapeutika identifizieren. Eine hochwirksame Synergie konnten wir im Neuroblastom-Screening zwischen dem Kinaseinhibitor Lapatinib und dem Krebsmedikament YM155 identifizieren. Als Wirkmechanismus konnten wir die Inhibition des ABCB1 Transporters durch Lapatinib definieren, die zu einem erheblichen Anstieg der intrazellulären YM155 Konzentration führt. Ferner konnten wir spezifische Arzneimittelkombinationen für das Ewing-Sarkom (ES) identifizieren, wie zum Beispiel die gleichzeitige Behandlung mit dem Multi-Kinaseinhibitor PKC412 und IGF1R/INSR Inhibitoren. Wir charakterisierten in weiterer Folge das Zielproteinprofil von PKC412 unter Zuhilfenahme von "chemical proteomics". Dies verdeutlichte, dass die erhöhte zytotoxische Wirkung durch Hemmung von entscheidenden ES Signaltransduktionswegen zu Stande kommt. Wir konnten darüber hinaus zeigen, dass eine charakteristische Veränderung der Phosphorylierung verschiedener Signaltransduktionsproteine für die synergistische Wirkung verantwortlich ist. Ein großer Teil der Phosphorylierungsveränderungen war spezifisch für die kombinatorische Behandlung. Abschließend lag der Fokus auf der Charakterisierung der Arzneimittelresistenz und Arzneimittelwirkung ausgewählter Therapeutika. YM155 wurde als Survivin-Inhibitor entwickelt, jedoch war der genaue molekulare Mechanismus der Krebszelltod Induktion unbekannt. Unter Verwendung eines haploiden genetischen Screening-Verfahrens konnten wir eine unabdingbare Abhängigkeit zwischen YM155 Wirkung und SLC35F2 Expression identifizieren. Wir konnten außerdem zeigen, dass YM155 in SLC35F2 exprimierenden Zellen durch DNA-Interkalation zur Zytotoxizität und Apoptoseinduktion führt. Der Import von YM155 durch tumor- und patientenspezifische erhöhte Expression von SLC35F2 ermöglicht eine zielgerichtete und personalisierte Krebstherapie durch tumorspezifische Induktion von DNA-Schäden.