In vitro study of cytotoxic and apoptogenic effects induced by carbon ions irradiation on human glioblastoma U-251 cell line after treatment with a new platinum(IV)-based prodrug. (Studio in vitro degli effetti citotossici ed apoptotici indotti dall’irraggiamento con ioni carbonio sulla linea di glioblastoma umano U-251 dopo trattamento con un nuovo profarmaco a base di platino(IV))

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common primary brain tumour in adults and remains a significant therapeutic challenge. The current standard therapy for patients with newly diagnosed GBM consists in maximal safe surgical resection, followed by radiotherapy and chemotherapy. The difficulty in treating this malignant disease lies both in its dynamic complexity, numerous mechanisms of drug resistance, high recurrence rate with a mean survival of fewer than 15 months. Despite the introduction of alkylating agent Temozolomide improved the survival rate only slightly (5 to 15 months),a subset of treatment-resistant clones that sustain recurrences has been identified. Cisplatin (cis-diamminodicloroplatino(II), CDDP) is regularly prescribed in the treatment of several types of cancer, but its clinical use is limited by severe and dose-limiting side effects, i.e. nephrotoxicity, ototoxicity, hepatotoxicity and neurotoxicity. The severity and the irreversibility of the cytotoxic effects limiting treatments with CDDP have encouraged research to identify similar compounds of higher therapeutic index. In this view, Prof. Osella and his team (Amedeo Avogadro University of Eastern Piedmont, Italy) designed and synthesized new platinum(IV)-based antitumor candidate: (OC-6-44)acetatodiamminedichlorido(2-(2-propynyl)octanoate), named Pt(IV)Ac-POA, containing the very active inhibitor of histone deacetylase (2-propynyl)octanoic acid, POA, as an axial ligand, and acting as a prodrug in the hypoxic tumour cell microenvironment. Parallelly to chemotherapy, radiotherapy for the treatment of cancer is undergoing an evolution, shifting to the use of heavy-ion beam (protons and carbon ions). For a plethora of malignancies, current radiotherapy using photons (X-rays and gamma-rays) yields marginal benefits in the tumour treatment and local control of the irradiation, causing damage to the surrounding healthy tissue. Indeed, one hypothesis is that these malignancies have acquired radioresistant to low LET radiation. The use of carbon ions has further advantages compared to protons, including a Bragg peak with a smaller width and better radiobiological effects, which make carbon ions the only viable option in the treatment of radioresistant tumors. Based on these elements, this study aimed to determine the effects induced on the U-251 line by carbon ions irradiation, in association or not with 48 hours pre-treatment with Pt(IV)Ac-POA, evaluating the better therapeutic combination. Cytotoxic concentration and the dose of respective treatments, morphological and functional alterations and the activation of apoptotic and autophagic mechanisms were analyzed focusing also to evaluate the best long-term antitumor effect and consequently to reduce the possible phenomena of chemo- and radioresistance. In conclusion, the findings in the present work show that combined treatments with the new prodrug Pt(IV)Ac-POA and carbon ions irradiation could be an important contribution to emerging complementary therapeutic approaches in GBM treatment and discusses the future challenges in improving antitumor directions.

Il glioblastoma multiforme (GBM) è il tumore cerebrale primario più comune negli adulti e rimane una sfida terapeutica importante. L'attuale standard terapeutico per i pazienti con diagnosi di GBM consiste nella resezione chirurgica, seguita da radioterapia e chemioterapia. La difficoltà nel trattere queste forme tumorali maligne risulta nella sua complessa eterogenicità, meccanismi di farmaco resistenza, alto tasso di recidive. Il cisplatino (CDDP) viene prescritto nel trattamento di diverse forme tumorali, ma il suo uso clinico è compromesso da severi effetti collaterali che determinano un limite nella dose di somministrazione del farmaco. Tali effetti citotossici ( nefrotossicità, neurotossicità), complicando severamente il trattamento con CDDP, hanno stimolato la ricerca ad identificare composti del platino simili ma con un più alto indice terapeutico. Secondo questa prospettiva, il Professor Osella ed il suo team di ricerca (Università degli Studi del Piemonte Orientale ) idearono e sintetizzarono un nuovo composto del platino(IV) come candidato antitumorale: (OC-6-44)acetatodiamminedichlorido(2-(2-propynyl)octanoate), definito Pt(IV)Ac-POA, coniugato con un efficacie inibitore dell'istone deacetilasi (2-propynyl)octanoic acid, POA, come ligando assiale, dunque un agente antiproliferativo che agisca come profarmaco nel microambiente ipossico delle cellule tumorali. Parallelamente alla chemioterapia, la radioterapia per il trattamento dei tumori sta avanzando nell'uso di fasci di particelle pesanti (protoni e ioni carbonio). Per una pletora di neoplasie, la radioterapia convenzionale con l'uso di fotoni (raggi X e raggi gamma) produce benefici limitati nel trattamento dei tumori e nel controllo locale dell'irraggiamento, causando danni al tessuto sano circostante. L’utilizzo di ioni carbonio presenta ulteriori vantaggi rispetto ai protoni, tra cui un miglior effetto radiobiologico, ciò rende gli ioni carbonio l’unica opzione praticabile nel trattamento di tumori radioresistenti. Basandosi su questi elementi, la presente tesi costituisce uno studio preliminare sulla linea di glioblastoma multiforme U-251 nel determinare gli effetti indotti dall'irraggiamento con ioni carbonio, in associazione o no con 48 ore di pre-trattamento con Pt(IV)Ac-POA, valutando la miglior combinazione terapeutica. La concentrazione citotossica e la dose dei rispettivi trattamenti, le alterazioni morfologiche e funzionali e l'attivazione di meccanismi apoptotici ed autofagici sono stati analizzati anche focalizzandosi sulla valutazione di un miglior effetto antitumorale e conseguentemente per ridurre il più possibile il fenomeno di chemio- e radioresistenza. In conclusione, i risultati ottenuti nel presente lavoro mostrano che la combinazione dei trattamenti con il nuovo profarmaco e con irraggiamenti con ioni carbonio potrebbe apportare un contributo significativo ad emergenti approcci terapeutici al GBM.