Summary

Syntese og karakterisering av en Aspirin-fumarat Prodrog at Hemmer NFkB Aktivitet og brystkreft stamceller

Published: January 18, 2017
doi:

Summary

This procedure will demonstrate how we synthesized and characterized the anti-NFκB and anti-cancer stem cell activity of an aspirin-fumarate prodrug.

Abstract

Betennelse er en kreft kjennetegn som ligger til grunn for kreftforekomst og markedsføring, og til slutt progresjon til metastasering. Derfor legger en anti-inflammatorisk narkotika til standard kreft regimenter kan forbedre pasientens utfall. Et slikt medikament, aspirin (acetylsalisylsyre, ASA), er blitt undersøkt for kreft chemoprevention og anti-tumor-aktivitet. Foruten å hemme cyklooksygenase 2-prostaglandin aksen, har ASAs anti-kreft aktiviteter også blitt tilskrevet nukleær faktor ĸB (NFĸB) hemming. Fordi langvarig ASA bruk kan forårsake gastrointestinal toksisitet, har en prodrug strategi er gjennomført med suksess. I dette prodrug utforme karboksylsyren av ASA er maskert og ytterligere pharmacophores er innarbeidet.

Denne protokollen beskriver hvordan vi syntetisert en aspirin-fumarat prodrug, GTCpFE, og preget dens hemming av NFĸB sti i brystkreftceller og demping av kreft stammen lignende riktigbånd, en viktig NFĸB avhengig fenotype. GTCpFE hemmer effektivt NFĸB sti i brystkreftcellelinjer mens ASA mangler noen hemmende aktivitet, noe som indikerer at å legge fumarate til ASA struktur bidrar vesentlig til sin aktivitet. I tillegg viser GTCpFE signifikant anti-cancer stamcelle-aktivitet ved å blokkere mammosphere dannelse og demping kreftstamcelle forbundet CD44 + CD24 immunfenotype. Disse resultatene etablere en levedyktig strategi for å utvikle bedre anti-inflammatoriske medisiner for chemoprevention og kreftbehandling.

Introduction

Betennelse er et kjennetegn som ligger til grunn flere aspekter av tumordannelse, slik som forekomst og markedsføring, og til slutt progresjon til metastase en. Brystkreft, er dette videre støttet av epidemiologiske observasjoner som viser at regelmessig anvendelse av den klassiske ikke-steroide anti-inflammatorisk legemiddel aspirin (acetylsalisylsyre, ASA) er assosiert med en reduksjon i både bryst- kreftforekomst, og risikoen for metastaser og tilbakefall 2,3. ASA virker hovedsakelig ved å inhibere syklooksygenase-2-aktivitet, som ofte er oppregulert i brystkreft 4,5. Imidlertid kan den anti-kreft effekt av ASA også være mediert ved å undertrykke avvik nukleær faktor KB (NFKB) signal 6-8. Dette er viktig fordi en deregulert NFkB sti fremmer tumorcelleoverlevelse, proliferasjon, migrering, invasjon, angiogenese, og resistens overfor terapi 9-11. NFKB aktivering bane er også kritisk for monteringen immunrespons. Derfor, for anti-kreft terapi hvor langvarig NFkB hemming er nødvendig, må man vurdere de skadelige bivirkninger som innebærer langvarig immunsuppresjon. Derfor kan ASA tjene som et godt utgangspunkt for terapeutisk optimalisering.

En begrensning for ASA anvendelse i cancerterapi er de forhøyede doser som er nødvendige for cyklooksygenase 2 og NFkB inhibering, som er forbundet med gastrointestinal toksisitet, så som sår og mage blødning 12,13. Men konvertere ASA inn som prodrug kan redusere ASAs gastrointestinal toksisitet. For ytterligere å forbedre styrken og / eller legge til funksjonalitet, kan ytterligere strukturelle elementer eller tilknyttede pharmacophores også inkorporeres i esterprodrug utforming. En slik pharmacophore tilsatt for å forbedre ASA potens mot NFkB reaksjonsveien er fumarat, som vi tidligere har vist seg å være viktig for NFkB svei inhibering 14,15.

<p class="jove_content"> Vi syntetisert en aspirin-fumarat prodrug 15, GTCpFE, og en hypotese om at slike hybrid-molekyl ville være trygt ennå potent mot NFkB veien. Vi testet sin anti-NFkB-aktivitet i brystkreftceller og dens evne til å blokkere brystkreft stamceller (cscs) 15, som er avhengige av NFkB-signalering for overlevelse og vekst 16-21. Vi finner at styrken av GTCpFE mot NFkB veien er betydelig forbedret i løpet ASA 15. I tillegg GTCpFE blokker mammosphere formasjon og demper CSC overflate markør CD44 + CD24 immunfenotypen, noe som indikerer at GTCpFE er i stand til å utrydde cscs 15. Disse resultatene etablere aspirin-fumarat prodrug som en effektiv anti-inflammatorisk agent som også kan målrette bryst cscs. Når det gjelder brystkreft behandling kan GTCpFE har potensial til å behandle aggressiv og dødelig sykdom.

Protocol

1. Syntese av Aspirin-fumarat Prodrog GTCpFE Ved hjelp av en plastsprøyte plunger, måle 0,81 ml (20 mmol) metanol og blande den i vann (10 ml) i en rundbunnet kolbe. Avkjøl den resulterende blanding til 0 ° C ved å plassere kolben i et is-vann-bad. Tilsett 4-hydroksybenzylalkohol (2,48 mg, 20 mmol) og omrør reaksjonsblandingen inntil løsningen er klar. Fremstille en oppløsning av O -acetylsalicyloyl klorid (3,77 mg, 19 mmol) i vannfri toluen (10 ml) ved å veie den ønskede mengde a…

Representative Results

I figur 1 er den kjemiske struktur av aspirin-fumarat prodrug, GTCpFE, og dens hemmende aktivitet på cytokin indusert NFĸB banen i brystkreftceller, er angitt. GTCpFE hemmer både NFĸB endepunkter, NFĸB-RE luciferase aktivitet (figur 1B) og uttrykk av NFĸB målgener, for eksempel inter adhesjonsmolekyl 1 (ICAM1), chemokine CC Motif Ligand 2 (CCL2), og tumornekrosefaktor (TNF) (Figur 1C) i MCF-7 brystkreftceller. Beregnet inhibitoris…

Discussion

In this protocol, we demonstrated the synthesis of an ASA prodrug, GTCpFE, where the fumarate pharmacophore was incorporated to improve the anti-NFĸB activity in breast cancer cells. GTCpFE is an effective NFĸB inhibitor, whereas ASA itself is not, even at much higher concentrations. The fumarate moiety has anti-inflammatory properties as shown by its ability to inhibit NFĸB signaling in a variety of cell lines and tissues14,25-29. The prodrug strategy described herein, is amendable to other mal…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by grants provided by the National Institutes of Health (NIH), R01 CA200669 to JF and R01 CA121107 to GRJT, and by a postdoctoral fellowship grant from Susan G. Komen for the Cure to IK (PDF12229484).

Materials

RPMI 1640 Red Medium Life Technologies  11875-093 Warm up to 37°C before use
IMEM Corning 10-024-CV Warm up to 37°C before use
DMEM / F12 Medium ThermoFisher 21041-025 Warm up to 37°C before use
MEM NEAA 10mM 100X Life Technologies  11140
Penicillin Streptomycin Life Technologies  15140-122
L-Glutamine 100X Life Technologies  25030-081
Insulin Sigma-Aldrich I-1882
Fetal Bovine Serum  Atlanta Biologicals S11150
Trypsin 2.5% 10X Invitrogen 15090046
Methyl Cellulose Sigma  M0262
B27 Supplement 50X Gibco 17504-044
EGF Gibco PHG0311L
NFκB-RE Luciferase Construct  Clontech  pGL4.32
Renilla Luciferase Construct  Promega pGL4.70
Lipofectamine 2000 ThermoFisher 11668-019
Dual-Luciferase Reporter Assay  Promega 120000032
NanoDrop Spectrophotometer ThermoFisher
Eppendorf Mastercycler  Eppendorf
StepOne Real Time PCR System Thermo Scientific
Eclipse Microscope Nikon
CyAn ADP Analyzer  Beckman Coulter
QCapture Software QImaging
Summit Software Beckman Coulter
GraphPad Software Prism
TRIzol ThermoFisher 15596-018
M-MLV Reverse Transcriptase Invitrogen 28025-013
100 mM dNTP Set Invitrogen 10297-018
Random Hexamers  Invitrogen 48190-011
Fast SYBR Green Master Mix ThermoFisher 4385612
Costar 96W, ultra low attachment  Corning 3474
HBSS, 1X ThermoFisher 14025134
CD44-APC conjugated antibody  BD Pharmingen 560990 Store at 4°C, protect from light
CD24-PE antibody BD Pharmingen 560991 Store at 4°C, protect from light
Recombinant Human TNFα Fisher 210TA100 
CCL2 Primer Forward Sequence AGAATCACCAGCAGCAAGTGTCC
CCL2 Primer Reverse Sequence TCCTGAACCCACTTCTGCTTGG
ICAM1 Primer Reverse Sequence TGACGAAGCCAGAGGTCTCAG
ICAM1 Primer Forward Sequence AGCGTCACCTTGGCTCTAGG
TNF Primer Forward Sequence AAGGGTGACCGACTCAGCG
TNF Primer Reverse Sequence ATCCCAAAGTAGACCTGCCCA
36B4 Primer Forward Sequence GTGTTCGACAATGGCAGCAT
36B4 Primer Reverse Sequence GACACCCTCCAGGAAGCGA
Sodium Hydroxide Sigma-Aldrich S5881-500G
4-Hydroxybenzyl Alcohol Sigma-Aldrich 20806-10G
O-Acetylsalicyloyl Chloride Sigma-Aldrich 165190-5G
Phosphorous Pentoxide Sigma-Aldrich 79610-100G
Ethyl Fumaroyl Chloride Sigma-Aldrich 669695-1G
Sodium Sulfate Sigma-Aldrich 246980-500G
4-Dimethylaminopyridine Sigma-Aldrich 714844-100ML 0.5 M in tetrahydrofuran
Triethylamine Sigma-Aldrich T0886-100ML
Toluene Sigma-Aldrich 244511-100ML
Ethyl Acetate Sigma-Aldrich 270989-100ML
Tetrahydrofuran Sigma-Aldrich 401757-2L
400 MHz FT NMR spectrometer  See Bruker’s Avance User’s Manual, version 000822 for details

References

  1. Hanahan, D., Weinberg, R. A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 144, 646-674 (2011).
  2. Cuzick, J., et al. Aspirin and non-steroidal anti-inflammatory drugs for cancer prevention: an international consensus statement. Lancet Oncol. 10, 501-507 (2009).
  3. Terry, M. B., et al. Association of frequency and duration of aspirin use and hormone receptor status with breast cancer risk. JAMA. 291, 2433-2440 (2004).
  4. Wang, D., Dubois, R. N. Cyclooxygenase-2: a potential target in breast cancer. Semin Oncol. 31, 64-73 (2004).
  5. Howe, L. R. Inflammation and breast cancer. Cyclooxygenase/prostaglandin signaling and breast cancer. Breast Cancer Res. 9. 9, 210 (2007).
  6. Kopp, E., Ghosh, S. Inhibition of NF-kappa B by sodium salicylate and aspirin. Science. 265, 956-959 (1994).
  7. Yin, M. J., Yamamoto, Y., Gaynor, R. B. The anti-inflammatory agents aspirin and salicylate inhibit the activity of I(kappa)B kinase-beta. Nature. 396, 77-80 (1998).
  8. Pierce, J. W., Read, M. A., Ding, H., Luscinskas, F. W., Collins, T. Salicylates inhibit I kappa B-alpha phosphorylation, endothelial-leukocyte adhesion molecule expression, and neutrophil transmigration. J Immunol. 156, 3961-3969 (1996).
  9. Frasor, J., El-Shennawy, L., Stender, J. D., Kastrati, I. NFkappaB affects estrogen receptor expression and activity in breast cancer through multiple mechanisms. Mol Cell Endocrinol. 418, 235-239 (2014).
  10. Perkins, N. D. The diverse and complex roles of NF-kappaB subunits in cancer. Nat Rev Cancer. 12, 121-132 (2012).
  11. DiDonato, J. A., Mercurio, F., Karin, M. NF-kappaB and the link between inflammation and cancer. Immunol Rev. 246, 379-400 (2012).
  12. Scarpignato, C., Hunt, R. H. Nonsteroidal antiinflammatory drug-related injury to the gastrointestinal tract: clinical picture, pathogenesis, and prevention. Gastroenterol Clin North Am. 39, 433-464 (2010).
  13. Sostres, C., Gargallo, C. J. Gastrointestinal lesions and complications of low-dose aspirin in the gastrointestinal tract. Best Pract Res Clin Gastroenterol. 26, 141-151 (2012).
  14. Kastrati, I., et al. Dimethyl Fumarate Inhibits the Nuclear Factor kappaB Pathway in Breast Cancer Cells by Covalent Modification of p65 Protein. J Biol Chem. 291, 3639-3647 (2016).
  15. Kastrati, I., et al. A novel aspirin prodrug inhibits NFkappaB activity and breast cancer stem cell properties. BMC Cancer. 15, 845 (2015).
  16. Cao, Y., Luo, J. L., Karin, M. IkappaB kinase alpha kinase activity is required for self-renewal of ErbB2/Her2-transformed mammary tumor-initiating cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 15852-15857 (2007).
  17. Liu, M., et al. The canonical NF-kappaB pathway governs mammary tumorigenesis in transgenic mice and tumor stem cell expansion. Cancer Res. 70, 10464-10473 (2010).
  18. Korkaya, H., Liu, S., Wicha, M. S. Regulation of cancer stem cells by cytokine networks: attacking cancer’s inflammatory roots. Clin Cancer Res. 17, 6125-6129 (2011).
  19. Hinohara, K., et al. ErbB receptor tyrosine kinase/NF-kappaB signaling controls mammosphere formation in human breast cancer. Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 6584-6589 (2012).
  20. Kendellen, M. F., Bradford, J. W., Lawrence, C. L., Clark, K. S., Baldwin, A. S. Canonical and non-canonical NF-kappaB signaling promotes breast cancer tumor-initiating cells. Oncogene. 33, 1297-1305 (2014).
  21. Yamamoto, M., et al. NF-kappaB non-cell-autonomously regulates cancer stem cell populations in the basal-like breast cancer subtype. Nat Commun. 4, 2299 (2013).
  22. Rio, D. C., Ares, M., Hannon, G. J., Nilsen, T. W. Purification of RNA using TRIzol (TRI reagent). Cold Spring Harb Protoc. , (2010).
  23. Frasor, J., et al. Positive cross-talk between estrogen receptor and NF-kappaB in breast cancer. Cancer Res. 69, 8918-8925 (2009).
  24. Al-Hajj, M., Wicha, M. S., Benito-Hernandez, A., Morrison, S. J., Clarke, M. F. Prospective identification of tumorigenic breast cancer cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 100, 3983-3988 (2003).
  25. Vandermeeren, M., et al. Dimethylfumarate is an inhibitor of cytokine-induced nuclear translocation of NF-kappa B1, but not RelA in normal human dermal fibroblast cells. J Invest Dermatol. 116, 124-130 (2001).
  26. Loewe, R., et al. Dimethylfumarate inhibits TNF-induced nuclear entry of NF-kappa B/p65 in human endothelial cells. J Immunol. 168, 4781-4787 (2002).
  27. Seidel, P., et al. Dimethylfumarate inhibits NF-{kappa}B function at multiple levels to limit airway smooth muscle cell cytokine secretion. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 297, L326-L339 (2009).
  28. Wilms, H., et al. Dimethylfumarate inhibits microglial and astrocytic inflammation by suppressing the synthesis of nitric oxide, IL-1beta, TNF-alpha and IL-6 in an in-vitro model of brain inflammation. J Neuroinflammation. 7, 30 (2010).
  29. Peng, H., et al. Dimethyl fumarate inhibits dendritic cell maturation via nuclear factor kappaB (NF-kappaB) and extracellular signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK1/2) and mitogen stress-activated kinase 1 (MSK1) signaling. J Biol Chem. 287, 28017-28026 (2012).
  30. Li, H. J., Reinhardt, F., Herschman, H. R., Weinberg, R. A. Cancer-stimulated mesenchymal stem cells create a carcinoma stem cell niche via prostaglandin E2 signaling. Cancer Discov. 2, 840-855 (2012).
  31. Li, X., et al. Intrinsic resistance of tumorigenic breast cancer cells to chemotherapy. J Natl Cancer Inst. 100, 672-679 (2008).
  32. Diehn, M., et al. Association of reactive oxygen species levels and radioresistance in cancer stem cells. Nature. 458, 780-783 (2009).
  33. Hollier, B. G., Evans, K., Mani, S. A. The epithelial-to-mesenchymal transition and cancer stem cells: a coalition against cancer therapies. J Mammary Gland Biol Neoplasia. 14, 29-43 (2009).
  34. Velasco-Velazquez, M. A., Popov, V. M., Lisanti, M. P., Pestell, R. G. The role of breast cancer stem cells in metastasis and therapeutic implications. Am J Pathol. 179, 2-11 (2011).
  35. Dontu, G., et al. In vitro propagation and transcriptional profiling of human mammary stem/progenitor cells. Genes Dev. 17, 1253-1270 (2003).
  36. Charafe-Jauffret, E., et al. Cancer stem cells in breast: current opinion and future challenges. Pathobiology. 75, 75-84 (2008).
  37. Clayton, H., Titley, I., Vivanco, M. Growth and differentiation of progenitor/stem cells derived from the human mammary gland. Exp Cell Res. 297, 444-460 (2004).
  38. Ginestier, C., et al. ALDH1 is a marker of normal and malignant human mammary stem cells and a predictor of poor clinical outcome. Cell Stem Cell. 1, 555-567 (2007).
  39. Rosen, J. M., Jordan, C. T. The increasing complexity of the cancer stem cell paradigm. Science. 324, 1670-1673 (2009).
  40. Visvader, J. E., Lindeman, G. J. Cancer stem cells in solid tumours: accumulating evidence and unresolved questions. Nat Rev Cancer. 8, 755-768 (2008).

Play Video

Cite This Article
Kastrati, I., Delgado-Rivera, L., Georgieva, G., Thatcher, G. R. J., Frasor, J. Synthesis and Characterization of an Aspirin-fumarate Prodrug that Inhibits NFκB Activity and Breast Cancer Stem Cells. J. Vis. Exp. (119), e54798, doi:10.3791/54798 (2017).

View Video