Kardiotoxische Effekte von Chemotherapeutika – Evaluierung eines impedanzbasierten in vitro Testsystems und Bestimmung der Kardiotoxizität niedermolekularer Kinaseinhibitoren
In den letzten Jahrzehnten führte die stetige Weiterentwicklung von Chemotherapeutika zu einem signifikanten Anstieg der Überlebensraten von Krebserkrankungen. Ein zunehmend relevantes Problem bilden jedoch die kardiotoxischen Nebenwirkungen vieler Chemotherapeutika. Akute Einflüsse auf die Kontraktion des Herzens erschweren den Einsatz vieler Wirkstoffe und strukturelle Schädigungen der Herzzellen können selbst Jahre nach einer erfolgreichen Behandlung zu verringerter Herzfunktion bis hin zu Herzversagen führen. Kardiotoxische Effekte werden häufig erst in späteren klinischen Studien oder gar nach der Zulassung eines Medikaments offensichtlich. Ein Mangel an alternativen Therapien führt häufig dazu, dass kardiotoxische Substanzen dennoch in der Klinik verwendet werden. Ein Mangel an präklinischen Methoden zur Untersuchung von kardiotoxischen Effekten ist eines der zugrundeliegenden Probleme.
In dieser Arbeit haben wir einen methodischen Ablauf etabliert, um die kardiotoxischen Effekte von Substanzen in vitro zu untersuchen und charakterisierten hiermit die kardiotoxischen Effekte einer Reihe niedermolekularer Kinaseinhibitoren, die sich zurzeit in präklinischen und klinischen Studien zur Tumorbehandlung befinden. Bei der hier vorgestellten Methode handelt es sich um einen impedanzbasierten Assay zur Bestimmung verschiedener kardialer Zellparameter in neonatalen Mauskardiomyozyten, i.e. das Zellüberleben, die kontraktile Funktion der Zellen sowie das Auftreten von Arrhythmien. Wir konnten durch Testung bekannter kardiotoxischer Medikamente zeigen, dass der vorgestellte impedanzbasierte Assay eine hohe Übereinstimmung zwischen den erhobenen in vitro Daten und den klinischen Nebenwirkungen aufwies. Die Anwendung des Assays ermöglichte die Charakterisierung der strukturellen und funktionellen Kardiotoxizität neuer niedermolekularer Inhibitoren der Proteinkinase B (AKT/PKB) oder der extrazellulär-Signal regulierten Kinase 1 und 2 (ERK1/2).
Obwohl dieser Impedanzassay noch Raum für Optimierungen lässt, bietet er eine Möglichkeit der in vitro Bestimmung von kardiotoxischen Effekten, wie sie bislang nicht standardmäßig verwendet wird. Dies könnte enorm zur Früherkennung von kardiotoxischen Effekten von Chemotherapeutika beitragen und akute und chronische Nebenwirkungen in Krebstherapien reduzieren.
In the past few decades, the steady advancement of chemotherapeutic agents has led to a significant increase in cancer survival rates. However, the cardiotoxic side effects of many chemotherapeutic agents are an increasingly relevant problem. Acute influences on the contraction of the heart make the use of many substances more difficult and structural damage to the heart cells can lead to reduced heart function and even heart failure, even years after successful cancer treatment. Often cardiotoxic effects only become apparent in late-stage clinical studies or even after the approval of a drug. However, a lack of alternative therapies necessitates the use of cardiotoxic substances in the clinic. A lack of preclinical methods for studying cardiotoxic effects is one of the underlying problems.
In this thesis, we established a methodological procedure to investigate the cardiotoxic effects of substances in vitro and characterised the cardiotoxic effects of a number of small-molecule kinase inhibitors that are currently in preclinical and clinical studies on tumour treatment. The method presented here is an impedance-based assay for the determination of various cardiac cell parameters in neonatal mouse cardiomyocytes. We were able to show that the impedance-based assay presented showed a high level of agreement between the collected in vitro data and the clinical side effects. The application of the assay made it possible to characterise the structural and functional cardiotoxicity of new small molecule Inhibitors of the protein kinase B (AKT/PKB) or the extracellular signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK1/2).
Although this impedance assay still leaves room for optimisation, it offers a possibility of in vitro characterisation of cardiotoxic effects, which could set a new standard. This could make an enormous contribution to the recognition of cardiotoxic effects of chemotherapeutic drugs and the reduction of acute and chronic side effects in cancer therapies.