Project

Structure activity relationship (SAR); Metastasis; Compound screen; Circulating tumor cells; CTC-derived xenografts (CDX); RNA sequencing

Lead
Screening von niedermolekularen Arzneimitteln zur Identifizierung von therapeutischen Angriffspunkten von zirkulierenden Tumorzellen.
Lay summary
Brustkrebs ist eine der am häufigsten diagnostizierten Krebserkrankungen bei Frauen, was 25,1% aller Krebserkrankungen ausmacht und weltweit jährlich mehr als 500.000 Todesfälle verursacht (http://www.who.int). Die häufigste Todesursache bei Brustkrebspatienten ist nicht der Primärtumor selbst, sondern die Entwicklung von Metastasen. Anhand von Blutproben von Krebspatienten haben wir kürzlich ein besseres Verständnis für die Prozesse entwickelt, die zur Etablierung von Metastasen führen. Beispielsweise haben wir entdeckt, dass zirkulierende Tumorzellen (ZTZs) als Einzelzellen oder Zellcluster (ZTZ-Cluster) in den Blutkreislauf gelangen können, wobei letztere eine höhere Neigung zur Metastasierung aufweisen. Des Weiteren haben wir gezeigt, dass aus Brustkrebspatienten isolierte ZTZs, unter bestimmten Bedingungen, auch in Kultur vermehrt werden können, wobei eine 3D-Struktur erhalten bleibt. Diese ZTZ-abgeleiteten Zelllinien stellen ein einzigartiges präklinisches Modell für die Entwicklung neuer Therapien dar, insbesondere weil sie als dreidimensionale Wirkstoff-Screening-Plattform verwendet werden können, das Mutationsprofil metastatischer Krebserkrankungen gemeinsam haben, und in Mäusen spontan metastasieren, wobei der Metastaseprozess des Ursprungspatienten rekapituliert werden kann. Mit diesem Vorhaben wollen wir zum ersten Mal zwei sehr leistungsfähige Methoden kombinieren. Dazu gehören zum einen moderne ZTZ-abgeleitete Kulturen, die das Verhalten von metastasierende Zellen rekapitulieren können und zum anderen eine große Arzneimittelbibliothek natürlichen und synthetischen Ursprungs (~80.000 Arzneimittel) zur Identifizierung neuer Metastaseninhibitoren. Konkret wird dieses Kooperationsprojekt in zwei Hauptziele unterteilt. Zunächst werden niedermolekularen Arzneimittel untersucht, die in der Lage sind, Zelltod in ZTZs selektiv zu induzieren oder ihr Selbsterneuerungspotenzial behindern, das für die Metastasierungsbildung erforderlich ist. Dieser Ansatz wird durch RNA-Sequenzierungsexperimente ergänzt, um betroffenen Stoffwechselwege zu identifizieren. Gleichzeitig werden durch synthetisch letale Screenings die Zusammenhänge zwischen Mutationen und der Empfindlichkeit gegenüber Arzneimittel von ZTZs ermittelt. Desweiteren werden wir mithilfe Arzneimittelchemie die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen mit ausgewählten Leitsubstanzen verbessern und diese in präklinischen (Maus-) Krebsmodellen testen. Allumfassend wird unser Projekt langfristig auf die Entwicklung neuartiger und metastasen-spezifischer Arzneimittel abzielen die die Behandlung von Krebs revolutionieren könnte.

Direct link to Lay Summary

Last update: 20.12.2018

Breast cancer is one of the most commonly diagnosed cancers in women, accounting for 25.1% of all cancers and resulting in more than 500’000 deaths per year worldwide (http://www.who.int). The leading cause of death for breast cancer patients is not the primary tumor itself, but the development of metastasis. Metastasis-related mortality in breast cancer reflects our limited understanding of the complex processes that drive the spread of cancer and points to the inability of the currently used preclinical models to fully recapitulate the clinical setting. Currently, most of these preclinical models rely on cancer cell lines that have been adapted to long-term culture in two-dimensional plastic dishes, and do not share many of the properties of metastatic cancer cells, including their mutational profile.Using blood specimens from cancer patients, we have recently improved our understanding on the processes driving the establishment of metastasis. For example, we discovered that circulating tumor cells (CTCs) can enter the bloodstream as single cells or clusters of cells (CTC-clusters), with the latter being associated to higher propensity to seed metastasis. Further, we have shown that CTCs isolated from breast cancer patients can also be propagated in culture under specific conditions, retaining a clustered 3D structure. These CTC-derived cell lines represent a unique preclinical model for discovery of new therapies, particularly because they can be used as three-dimensional drug screening platforms, they share the mutational profile of metastatic cancers, are tumorigenic, and spontaneously metastasize in mice reflecting the metastatic pattern of the patient of origin.In parallel to the development of new preclinical models, small molecules have been instrumental in several breakthrough studies to investigate the biology of cancer and to identify biological targets along with existing genetic and molecular biology technologies. Small molecules as a chemical tool offer a unique opportunity to investigate cancer vulnerabilities and unknown complex biological mechanisms that define cancer biology, leading to the identification of new targets and potential therapeutic agents. Along these lines, there are extraordinary examples of how small molecules helped to understand various biological pathways in the recent past, including cytoskeleton biology through colchicine and paclitaxel, mTOR signaling through Rapamycin, MG132 in proteasome function, and recently CRBN-CUL4 E3 by thalidomide analogs and JQ1 for bromodomain biology and pharmacology. In this proposal, we aim to combine for the first time two very powerful tools, i.e., state-of-the-art human CTC-derived models that recapitulate metastatic cells and a large natural- and synthetic-origin compound library (~80.000 compounds) to identify novel inhibitors of metastasis. Specifically, this collaborative project will be divided into two main aims. First, we will screen libraries of small molecules capable of selectively inducing cell death in CTCs, or impede their self-renewal potential that is needed for metastasis formation. This approach will be complemented by RNA sequencing experiments to identify affected pathways, and synthetic lethal screens to identify relationships between mutations and drug sensitivity. Second, we will perform medicinal chemistry to improve structure-activity relationships on selected lead compounds, and test them in preclinical (mouse) cancer models.All together, our project brings together the unique tools provided by each of the project partners to unravel vulnerabilities of circulating tumor cells and to identify novel inhibitors of metastasis. In the long-term, our project should represent the first step towards the development of novel metastasis-tailored compounds for the treatment of cancer.