The vasculature as a target in photochemical internalization (PCI). Mechanisms and utilization.

Prosjektnummer: 2010043
Ansvarlig person: Kristian Berg
Institusjon: Oslo universitetssykehus HF
Prosjektkategori: Doktorgradsstipend
Helsekategori: Cancer
Forskningsaktivitet: 5. Treatment Developement

2015 - sluttrapport

Fotokjemisk internalisering (PCI) teknologien er utviklet for å levere legemidler inn i celler. En rekke potensielle legemidler med intracellulære mål har liten effekt fordi de av forskjellige grunner ikke er i stand til å trenge inn i cellene. Dette gjelder f.eks. immunotoksiner, nukleinsyrer i forbindelse med levering av gener og inhibering av genuttrykk, nanomedisin og noen kjemoterapeutika. Alle disse legemidlene vil akkumulere i endocytiske vesikler og degraderes der. Dette medføre at legemidlene har liten eller ingen effekt. PCI teknologien baserer seg på utnyttelse av amfifile fotosensitiserende legemidler som tas opp via endocytose og akkumulerer i membranen på endocytiske vesikler. Ved bestråling med lys med relevante bølgelengder for eksitasjon av de fotosensitiserende legemidlene induseres dannelse av reaktive oksygenforbindelser som skader membranintegriteten til de endocytiske vesiklene og slipper innholdet ut i cytosol. PCI er vist å aktivere en rekke legemidler. PCI evalueres for tiden i internasjonale kliniske studier. Det var kjent før oppstart av dette prosjektet at PCI av bleomycin medførte en kraftig reduksjon av vaskulær perfusjon kort tid (2 timer) etter behandling av en ortotopisk fibrosarkommodell (HT1080) i atymiske mus. Det var imidlertid ikke kjent om dette hadde en terapeutisk betydning og eventuelt virkningsmekanismen for denne effekten. Prosjektet har vist at reduksjonen i vaskulær perfusjon ble opprettholdt i minimum 24 timer. En in vivo-in vitro studie viste også at behandlingen hadde terapeutisk effekt både direkte på tumorcellene og indirekte via skader på blodårene. In vitro studier viste at endotelceller (HUVEC) tar opp mer av de fotosensitiserende legemidlene (via endocytose) enn HT1080 cellene og at PCI kunne benyttes til intracellulær levering av relevante legemidler. Det ble også vist at det fotosensitiserende legemidlet kan redusere intracellulær transport av en surrogatmarkør for legemiddelopptak (fluorescerende dekstranpartikler) til lysosomer, men at disse akkumulerer i tidligere faser av endocytosen. Dette kan bidra til å redusere degradering av legemidlene i lysosomene som inneholder hydrolytiske enzymer. Behandlingen av HT1080 fibrosarkomene i atymiske dyr ble forsøkt kombinert med adjuvant bevacizumab behandling. Dette ble gjennomført for å forsøke å inhibere nydannelse av blodårer etter behandlingen og derved øke den terapeutiske effekten av PCI behandlingen. Dette viste seg meget effektivt og resultere i mer enn 50% kurasjon i en tumormodell hvor PCI tidligere kun har vist å hemme tumorvekt. Det ble derfor gjennomført en tilsvarende studie på en epitelial tumormodell som er svært forskjellig fra fibrosarkomene, WiDr kolon carcinoma som tidligere er vist å respondere got på PCI behandlingen. Det viste seg imidlertid at adjuvant bevacizumab behandling hadde ingen positiv effekt i denne modellen, på grensen til antagonistisk. Det ble kun generert hypoteser om årsaken til denne forskjell i effekt av adjuvant bevacizumab behandling. Resultatene fra dette prosjektet har hittil resultert i 2 publikasjoner og en tredje publikasjon er innsendt for publikasjon. På bakgrunn av dette prosjektet er det utviklet flere immunotoksiner mot celler knyttet til blodårestruktur (VEGF121-, EGF- og CD133- baserte immunotoksiner) da dette synes å være et effektivt mål i PCI-behandlingen. Det vil være et fremtidig mål å videreutvikle en av disse immunotoksinene frem mot klinisk bruk. Resultatene er også viktig for forståelsen av resultatene fra de pågående kliniske studiene og hvordan PCI-behandlingen kan videreutvikles.

2014

The vasculature as a target in photochemical internalization (PCI). Mechanisms and utilizationFotokjemisk internalisering (PCI) er en metode for målrettet og effektiv intracellulær levering av legemidler som akkumulerer i cellers lysosomer, men hvor den terapeutiske effekten skjer i andre områder av cellene. Metoden er vist å redusere blodgjennomstrømningen i behandlet vev og prosjektet har som mål å undersøke mekansismene som ligger til grunn for denne effekten og søke å utnytte dette terapeutisk.PCI teknologien baserer seg på utnyttelse av amfifile fotosensitiserende legemidler som tas opp via endocytose og akkumulerer i membranen på endocytiske vesikler. Ved bestråling med lys med relevante bølgelengder for eksitasjon av de fotosensitiserende legemidlene induseres dannelse av reaktive oksygenforbindelser som skader membranintegriteten til de endocytiske vesiklene og slipper innholdet ut i cytosol. PCI er vist å aktivere en rekke legemidler som immunotoksiner, nukleinsyrer til bruk i genterapi, enkelte typer nanomedisin og i enkelte tilfeller ved bruk av kjemoterapeutika. PCI av bleomycin utnyttes i en pågående fase II klinisk studie på hode/hals plateepitelcarcinomer og en fase I/II studie på gallegangscarcinom. Det er i dette prosjektet funnet at endocytose av de fotosensitiserende legemidlene er 10-20x høyere i endotelceller (HUVEC) enn i fibrosarkomceller (HT1080) som er i overenstemmelse med en økt sensitivitet ovenfor fotokjemisk aktivering med lys (fotodynamisk behandling, PDT). PCI-indusert aktivering av proteintoksinet saporin er imidlertid relativt mindre effektivt i endotelcellene enn i fibrosarkomcellene. Det ble vist at saporin degraderes raskere i endotelcellene enn i HT1080 cellene og at dette i stor grad er årsaken til den reduserte relative effekten av PCI i endotelcellene. Ved å utføre flowcytometriske studier fant vi at et høyt opptak av fotosensitiserende legemiddel kan medføre reduksjon av væskefaseendocytose fra tidlige endosomer til sure endosomer og lysosomer. Studier vha konfokal mikroskopi viser videre at dette kan medføre redusert kolokalisering av det fotosensitiserende legemiddel og legemiddel som skal translokeres til cytosol vha. PCI. Til sammen gir dette en redusert effekt av PCI. Det er også gjennomført en in vivo studie med HT1080 xenografts intramuskulært i atymiske dyr som viser at de fotokjemisk induserte skader på vaskulaturen har betydning for den terapeutiske effekt etter både PDT og PCI. Det er også gjennomført ELISA analyser av VEGF ekspresjon i tumor etter behandling og kombinasjon med VEGF-hemmeren Avastin. Dette er utført i både i HT1080 og WiDr colorektalcancer xenografter, og viste at PCI av bleomycin etterfulgt av Avastin-behandling forbedret behandlingseffekt i HT1080 xenografts, men ikke i i WiDr xenografts. Blodgjennomstrømningen basert på MR-analyser ble hemmet i begge tumormodellene. Resultatene dokumenterer betydningen av skader på blodårene for den terapeutiske effekten og indikerer at VEGF, CD31 og CD34 på blodåremes endotelceller som mulige prediktive biomarkører. Resultatene fra dette prosjektet har hittil resultert i 2 publikasjoner og en tredje publikasjon er skrevet sammen og inkludert i en doktorgrad som nylig er innsendt for vurdering.

2013

Kreftvevets blodårer som mål for behandling med Fotokjemisk Internalisering (PCI)Fotokjemisk internalisering (PCI) er en metode for målrettet og effektiv intracellulær levering av legemidler som akkumulerer i cellers lysosomer, men hvor den terapeutiske effekten skjer i andre områder av cellene. Metoden er vist å redusere blodgjennomstrømningen i behandlet vev og prosjektet har som mål å undersøke mekansismene som ligger til grunn for denne effekten og søke å utnytte dette terapeutisk.PCI teknologien baserer seg på utnyttelse av amfifile fotosensitiserende legemidler som tas opp via endocytose og akkumulerer i membranen på endocytiske vesikler. Ved bestråling med lys med relevante bølgelengder for eksitasjon av de fotosensitiserende legemidlene induseres dannelse av reaktive oksygenforbindelser som skader membranintegriteten til de endocytiske vesiklene og slipper innholdet ut i cytosol. PCI er vist å aktivere en rekke legemidler som immunotoksiner, nukleinsyrer til bruk i genterapi, enkelte typer nanomedisin og i enkelte tilfeller ved bruk av kjemoterapeutika. PCI av bleomycin utnyttes i en pågående fase II klinisk studie. Det er i dette prosjektet funnet at endocytose av de fotosensitiserende legemidlene er 10-20x høyere i endotelceller (HUVEC) enn i fibrosarkomceller (HT1080) som er i overenstemmelse med en økt sensitivitet ovenfor fotokjemisk aktivering med lys (fotodynamisk behandling, PDT). PCI-indusert aktivering av proteintoksinet saporin er imidlertid relativt mindre effektivt i endotelcellene enn i fibrosarkomcellene. Det ble vist at saporin degraderes raskere i endotelcellene enn i HT1080 cellene og at dette i stor grad er årsaken til den reduserte relative effekten av PCI i endotelcellene. Ved å utføre flowcytometriske studier fant vi at et høyt opptak av fotosensitiserende legemiddel kan medføre reduksjon av væskefaseendocytose fra tidlige endosomer til sure endosomer og lysosomer. Studier vha konfokal mikroskopi viser videre at dette kan medføre redusert kolokalisering av det fotosensitiserende legemiddel og legemiddel som skal translokeres til cytosol vha. PCI. Til sammen gir dette en redusert effekt av PCI. Det er også gjennomført en in vivo studie med HT1080 xenografts intramuskulært i atymiske dyr som viser at de fotokjemisk induserte skader på vaskulaturen har betydning for den terapeutiske effekt etter både PDT og PCI. Det er også gjennomført ELISA analyser av VEGF ekspresjon i tumor etter behandling og kombinasjon med VEGF-hemmeren Avastin. Dette er utført i både i HT1080 og WiDr colorektalcancer xenografter, og viste at PCI av bleomycin etterfulgt av Avastin-behandling forbedret behandlingseffekt i HT1080 xenografts. Imidlertid var det ingen effekt av Avastin som tilleggsbehandling til PCI av bleomycin i WiDr xenografts. I denne tumomodellen var det heller ingen effekt av den fotokjemiske effekten på blodgjennomstrømningen basert på MR-analyser etter behandling. Resultatene fra dette prosjektet har hittil resultert i 2 publikasjoner og den siste er skrives sammen for publikasjon i disse dager.

2012

Kreftvevets blodårer som mål for behandling med Fotokjemisk Internalisering(PCI)Fotokjemisk internalisering (PCI) er en metode for målrettet og effektiv intracellulær levering av legemidler som akkumulerer i cellers lysosomer, men hvor den terapeutiske effekten skjer i andre områder av cellene. Metoden er vist å redusere blodgjennomstrømningen i behandlet vev og prosjektet har som mål å undersøke mekansismene som ligger til grunn for denne effekten og søke å utnytte dette terapeutisk.PCI teknologien baserer seg på utnyttelse av amfifile fotosensitiserende legemidler som tas opp via endocytose og akkumulerer i membranen på endocytiske vesikler. Ved bestråling med lys med relevante bølgelengder for eksitasjon av de fotosensitiserende legemidlene induseres dannelse av reaktive oksygenforbindelser som skader membranintegriteten til de endocytiske vesiklene og slipper innholdet ut i cytosol. PCI er vist å aktivere en rekke legemidler som immunotoksiner, nukleinsyrer til bruk i genterapi, enkelte typer nanomedisin og i enkelte tilfeller ved bruk av kjemoterapeutika. PCI av bleomycin utnyttes i en pågående fase II klinisk studie. Det er i dette prosjektet funnet at endocytose av de fotosensitiserende legemidlene er 10-20x høyere i endotelceller (HUVEC) enn i fibrosarkomceller (HT1080) som er i overenstemmelse med en økt sensitivitet ovenfor fotokjemisk aktivering med lys (fotodynamisk behandling, PDT). PCI-indusert aktivering av proteintoksinet saporin er imidlertid relativt mindre effektivt i endotelcellene enn i fibrosarkomcellene. Det ble vist at saporin degraderes raskere i endotelcellene enn i HT1080 cellene og at dette i stor grad er årsaken til den reduserte relative effekten av PCI i endotelcellene. Ved å utføre flowcytometriske studier fant vi at et høyt opptak av fotosensitiserende legemiddel kan medføre reduksjon av væskefaseendocytose fra tidlige endosomer til sure endosomer og lysosomer. Studier vha konfokal mikroskopi viser videre at dette kan medføre redusert kolokalisering av det fotosensitiserende legemiddel og legemiddel som skal translokeres til cytosol vha. PCI. Til sammen gir dette en redusert effekt av PCI. Det er også gjennomført en in vivo studie med HT1080 xenografts intramuskulært i atymiske dyr som viser at de fotokjemisk induserte skader på vaskulaturen har betydning for den terapeutiske effekt etter både PDT og PCI. Det er også gjennomført ELISA analyser av VEGF ekspresjon i tumor etter behandling og kombinasjon med VEGF-hemmeren Avastin. Dette er utført i både i HT1080 og WiDr colorektalcancer xenografter, og viser at PCI av bleomycin etterfulgt av Avastin-behandling kan resultere i en forbedret behandlingseffekt. Resultatene fra dette prosjektet vil resultere i 3 artikler hvorav den første vil bli innsendt for publiksjon innen kort tid.

2011

The vasculature as a target in photochemical internalizationFotokjemisk internalisering (PCI) er en metode for målrettet og effektiv levering av legemidler til bl.a. kreftceller. Vi har funnet at svulster i dyremodeller er følsommme for PCI i kombinasjon med medikamenter som hemmer karnydannelse. I tillegg finner vi at karceller i cellekultur tar opp ekstra mye lysfølsomt stoff, men er ikke ekstra følsomme for PCI.PDT (fotodynamisk terapi) er behandling av kreftceller med lysfølsomme legemidler og lys av passende bølgelengder, noe som har vist seg å være svært effektivt for å drepe kreftceller. Vår gruppe har i forlengelsen av dette utviklet PCI (fotokjemisk internalisering), hvor vi bruker PDT sammen med et medikament eller giftig stoff. PCI angriper bare de syke og ikke de friske cellene i kroppen, og man sier derfor at PCI er en målrettet behandling. I tillegg tas medikamentene i PCI svært effektivt opp i kreftcellene, og man vil derfor kunne gi lavere doser, og få færre bivirkninger ved behandling med PCI-teknologien. Vårt prosjekt baserer seg på at også blodkarene som forsyner kreftsvulsten med næring og oksygen, affiseres ved bruk av PCI. Dette er en fordel for å hindre vekst av kreftsvulsten. Vi har til nå studert hvordan implanterte kreftsvulster i forsøksmus reagerer på PCI-behandlingen og sammenliknet det med PDT. Vi lar to ulike typer svulster gro i forsøksmusene, en av dem vokser raskt og er karrik, en annen type mye saktere med mye færre kar. Når musene i tillegg til PCI får et medikament som hemmer utviklingen av nye blodårer i kreftvev (bevacizumab), ser vi at dette gir uendret overlevelse for mus med svulster som ikke har så stor blodåretetthet, men betydelig økt overlevelse for mus med karrike svulster. I cellekultur har vi undersøkt hvordan karceller oppfører seg når de får PDT og PCI-behandling. Vi har funnet at karceller inntar opptil 22 ganger mer lysfølsomt stoff enn kreftceller, og at dette stoffets plassering i cellen er ideell for PCI-behandling. I tillegg fant vi at karcellene er mye mer følsom for PDT-behandling enn for PCI behandling, men årsaken til denne forskjellen er foreløpig ikke klarlagt. Tiden fremover vil vi studere om man kan bedre behandlingseffekten ytterligere ved å gi bevacizumab i en lengre periode etter PCI-behandling av forsøksmus og vurdere karrikhet på histologiske snitt av svulster som har vært behandlet. Endelig vil vi forsøke å finne ut om PCI-behandling av kreftsvulster i seg selv kan stimulere kroppens eget immunforsvar til å angripe og kanskje til og med fjerne nye kreftsvulster (f.eks. ved spredning av kreft).

2010

The vasculature as a target in photochemical internalizationFotokjemisk internalisering (PCI) er en metode for målrettet og effektiv levering av legemidler og potensielle legemidler til bl.a. kreftceller. Vi har funnet at PCI også skader blodårer i kreftvev og våre nyere resultater tyder på at den behandlende effekten av PCI kan ytterligere forsterkes i kombinasjon med legemidlet Avastin (bevacizumab) som hindrer nydannelse av blodkar.PDT (fotodynamisk terapi) er behandling av kreftceller med lysfølsomme legemidler og lys av passende bølgelengder, noe som har vist seg å være svært effektivt for å drepe kreftceller. Vår gruppe har i forlengelsen av dette utviklet PCI (fotokjemisk internalisering), hvor vi bruker PDT sammen med et medikament eller giftig stoff. Siden PDT er en metode hvor bare de syke og ikke de friske cellene i kroppen behandles, sier man at PCI er en målrettet behandling. I tillegg tas medikamentene vi benytter svært effektivt opp i kreftcellene, og man vil derfor kunne gi lavere doser, og derved få færre bivirkninger ved behandling med PCI-teknologien. Vårt prosjekt baserer seg på at også blodkarene som forsyner kreftsvulsten med næring og oksygen affiseres ved bruk av PCI, noe som er en fordel for å hindre vekst av kreftsvulsten. Vi har til nå samlet resultater hvor man implanterer kreftsvulster dypt i leggmuskelen til forsøksmus, og deretter behandler med PCI (hvor medikamentet er en velkjent kreftmedisin kalt Bleomycin) og PDT. Vi har så undersøkt disse svulstene og funnet at karskadene som oppstår har stor betydning for den behandlende effekt. Vi vet at et protein som har stor betydning for nydannelse av kar i kreftsvulsten er VEGF (vascular endothelial growth factor). Vi har analysert dette proteinet i svulstene som er høstet, og så langt funnet at dette ikke stimuleres ved PCI-behandlingen men at VEGF uttrykkes i stor grad også i ubehandlet tumor. Vi har derfor kombinert PCI-behandlingen med et medikament kalt Avastin. Avastin blokkerer effekten av VEGF i forsøksmusenes kreftsvulster og vi håper på denne måten å ytterligere hindre blodtilførselen til kreftsvulsten. De foreløpige resultatene er svært lovende. Videre fremover skal vi fullføre forsøkene med Avastin, og i tillegg gjøre forsøk i laboratoriet på både kreftceller og karproduserende celler. Disse to celletypene skal behandles med PCI, og vi skal måle PCI-effekten på hver av dem og sammenlikne resultatene. Videre skal vi i gang med et forsøk hvor vi skal se om PCI-behandling av kreftsvulster i seg selv kan stimulere kroppens eget immunforsvar til å angripe og kanskje til og med fjerne nye kreftsvulster (f.eks. ved spredning av kreft). Disse forsøkene vil også utføres i forsøksmus.

Vitenskapelige artikler

Vikdal Marie, Generalov Roman, Berg Kristian

The photosensitizer disulfonated aluminum phthalocyanine reduces uptake and alters trafficking of fluid phase endocytosed drugs in vascular endothelial cells--impact on efficacy of photochemical internalization.

Biochem Pharmacol 2013 Sep 15;86(6):748-58. Epub 2013 jul 20

PMID: 23876343 - Inngår i doktorgradsavhandlingen

Vikdal Marie, Weyergang Anette, Selbo Pål Kristian, Berg Kristian

Vascular endothelial cells as targets for photochemical internalization (PCI).

Photochem Photobiol 2013 Sep-Oct;89(5):1185-92. Epub 2013 aug 17

PMID: 23819771 - Inngår i doktorgradsavhandlingen

Selbo Pål Kristian, Weyergang Anette, Høgset Anders, Norum Ole-Jacob, Berstad Maria Brandal, Vikdal Marie, Berg Kristian

Photochemical internalization provides time- and space-controlled endolysosomal escape of therapeutic molecules.

J Control Release 2010 Jun. Epub 2010 jun 18

PMID: 20600406

Kristian Berg, Anette Weyergang, Marie Vikdal, Ole-Jacob Norum and Pål K. Selbo

Photochemical internalisation (PCI) - a novel technology for targeted macromolecule therapy.

. In Photodynamic Therapy. From theory to application. Ed. Mahmoud H. Abdel-Kader. Pp. 119-130. ISBN 978.3-642-39628-1. Springer Verlag

Vikdal M, Weyergang A, Berg K

Vascular targeting of tumors by photochemical internalization (PCI)

14th Congress of the European Society for Photobiology, September 1 - 6, 2011

Doktorgrader

Marie Vikdal

The vasculature as a target in Photochemical Internalization (PCI)

Disputert:: juni 2015
Hovedveileder:: Alf Kristian Berg

Deltagere

Marie Vikdal Doktorgradsstipendiat
Alf Kristian Berg Hovedveileder

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til eRapport

Personvern - Informasjonskapsler