Riassunto analitico
La timidilato sintasi (TS) è un enzima essenziale per la crescita e proliferazione cellulare, nonché per la sintesi e riparazione del DNA, poiché catalizza l’unica reazione di sintesi de-novo della timidina monofosfato; quest’ azione lo rende un bersaglio chiave nelle terapie oncologiche. Tuttavia, la sovra-espressione di TS e le alterazioni farmacocinetiche degli anti-TS tradizionali rappresentano le principali cause di resistenza ai farmaci, spesso associata ad un insufficiente accumulo dei farmaci dovuto alla ridotta captazione e/o all’eccessiva espulsione dei farmaci dalle cellule tumorali.
Per contrastare la farmacoresistenza indotta dagli inibitori classici di TS, il nostro gruppo di ricerca ha collaborato alla sintesi di nuovi inibitori, noti come composti LC. Questi inibitori dissociativi sono stati progettati per alterare l’equilibrio monomero-dimero dell’enzima, favorendo la formazione della sua forma inattiva. Agiscono inserendosi all’interfaccia monomero-monomero, mimando le catene laterali di alcuni residui e stabilendo interazioni simili a quelle presenti tra i due monomeri.
Come primo approccio, cercando di aumentare l’accumulo intracellulare, era stata valutata
l’efficacia citotossica dei composti LC in presenza di inibitori specifici delle pompe di efflusso dei farmaci, osservando un incremento dell’effetto anti-tumorale, suggerendo che questi composti possano essere substrati delle pompe di estrusione cellulare. Partendo da questi risultati, abbiamo poi sviluppato una strategia alternativa per aumentare la loro accumulazione intracellulare, sfruttando un sistema di drug delivery basato sull’agente di trasfezione SAINT-Protein, che ha effettivamente facilitato l’ingresso dei composti, soprattutto di quelli meno lipofili, attraverso la membrana cellulare. Gli effetti citotossici osservati sono risultati coerenti con una riduzione dei livelli di TS valutati mediante western blot e un’alterazione del ciclo cellulare con un significativo aumento di cellule ipodiploidi.
Nel complesso, questo studio preclinico suggerisce che l’efficacia dei dissociatori del dimero di TS possa essere ottimizzata aumentando la loro concentrazione intracellulare, sia attraverso l’inibizione del loro efflusso che mediante un potenziamento della loro captazione cellulare.
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Abstract
Thymidylate synthase (TS) is an essential enzyme for cellular growth and proliferation, as well as for DNA synthesis and repair, since it catalyzes the only de novo synthesis reaction of thymidine monophosphate. This function makes TS a key target in cancer therapies.
However, TS overexpression and altered pharmacokinetics of traditional anti-TS agents are among the main causes of drug resistance, often due to insufficient drug accumulation caused by reduced uptake and/or excessive drug efflux from tumor cells.
To overcome the drug resistance induced by classic TS inhibitors, our research group collaborated on the synthesis of novel inhibitors, known as LC compounds. These dissociative inhibitors were designed to disrupt the monomer-dimer equilibrium of the enzyme, promoting the formation of its inactive state. They act by inserting into the monomer-monomer interface, miming the side chains of specific residues and establishing interactions similar to those naturally occurring between the two monomers.
As an initial approach to increasing intracellular accumulation, the cytotoxic efficacy of LC compounds was evaluated in the presence of specific inhibitors of drug efflux pumps. An increase in antitumor activity was observed, suggesting that these compounds may be substrates of cellular drug extrusion pumps. Based on these results, then we developed an alternative strategy to enhance their intracellular accumulation by utilizing a drug delivery system based on the SAINT-Protein transfection agent. Effectively, this approach facilitated the entry of LC compounds, particularly the less lipophilic ones, across the cell membrane. The observed cytotoxic effects correlated with a reduction in TS protein levels, as evaluated by Western blot, and with cell cycle alterations, showing a significant increase in hypodiploid cells.
Overall, this preclinical study suggests that the efficacy of TS dimer disrupters can be optimized by increasing their intracellular concentration, either through the inhibition of their efflux or by enhancing their cellular uptake.
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