Neurotoxizität und Pharmakokinetik des experimentellen Tumortherapeutikums Salinomycin im Mausmodell

Abstract

Einleitung: Salinomycin (SAL) ist ein Polyether-Antibiotikum, das in der Veterinärmedizin zur Therapie von Kokzidieninfektionen eingesetzt wird. Im Jahr 2009 wurde bekannt, dass SAL eine bemerkenswerte Zytotoxizität gegenüber diversen Tumorentitäten und Tumorstammzellen aufweist. Insbesondere die Eradikation von Tumorstammzellen sowie die Chemoresistenz von Tumorzellen gelten als zentrale Herausforderungen in der onkologischen Therapie. Die zytotoxische Wirksamkeit von Salinomycin gründet pathophysiologisch auf einer Störung der intrazellulären Ionenhomöostase inklusive der Beeinflussung Calcium-vermittelter Signalkaskaden, sowie der Apopotoseinduktion. Hieraus ergibt sich ein vielversprechendes Potenzial zur Etablierung der Substanz in der medikamentösen Tumortherapie. Dem gegenüber steht jedoch ein gravierendes neuromuskuläres Nebenwirkungsprofil von SAL bei Überdosierung, dessen Mechanismen bis dato nicht hinreichend geklärt sind. Zudem besteht lediglich eine spärliche Datenlage zur Pharmakokinetik und dem Risikoprofil unter Langzeittherapie. Beides ist in der Translation der Substanz für einen Einsatz in der Humanmedizin essentiell. Zielsetzung: Ziel dieser Arbeit war die Definition einer nebenwirkungsarmen täglichen Salinomycin-Dosis sowie die Erstellung eines pharmakokinetischen Modells nach intraperitonealer Gabe in der C57Bl/6J-Maus. Anschließend sollte das neurotoxische Nebenwirkungsprofil von SAL unter Langzeittherapie charakterisiert und ein pharmakologischer Ansatz zur Neuroprotektion evaluiert werden. Methodik: Anhand eines in vivo-Modells erfolgte zunächst eine Dosisfindungsstudie, in der eine tägliche i.p.-Dosis von 5 bzw. 10 mg/kg Körpergewicht Salinomycin getestet wurde. Die Pharmakokinetik wurde mittels Hochdruck-Flüssigkeitschromatografie untersucht. Auf Basis dieser Daten erfolgte eine SAL-Langzeittherapie mit 5 mg/kg SAL über 28 Tage. Anhand von Verhaltensanalysen und Elektrophysiologie wurden die neurotoxischen Nebenwirkungen analysiert und zeitgleich ein neuroprotektiver Ansatz mittels pharmakologischer Blockade des mitochondrialen Na+/Ca2+-Antiporters getestet. Die Beurteilung systemischer Effekte erfolgte durch Blutuntersuchungen und histologische Analysen. Ergebnisse: Salinomycin besitzt eine geringe therapeutische Breite in vivo. Eine Dosis von 5 mg/kg KG erwies sich in der Maus als gut verträglich. 30 Minuten nach i.p.- Injektion zeigten Plasmaspitzenkonzentrationen im niedrig-mikromolaren Bereich. Die systemische Elimination erfolgte innerhalb von fünf Stunden. Laborchemisch und histologisch ergaben sich keine Hinweise auf spezifische Endorganschäden, sodass eine Dosis von 5 mg/kg KG in der Maus als systemisch nebenwirkungsarm anzusehen ist. Unter Langzeittherapie ergaben sich jedoch charakteristische Merkmale einer sensiblen Neuropathie. Zentrale Befunde waren eine markante mechanische und Kälte-Allodynie sowie subtile Gangbildveränderungen. Elektrophysiologisch zeigte sich ein vorwiegend axonales Schädigungsmuster. Über die pharmakologische Blockade des mitochondrialen Na+/Ca2+- Austauschers mit CGP-37157 ließ sich eine partielle Prävention der neurotoxischen Nebenwirkungen erzielen. Schlussfolgerung: Die vorliegende Studie liefert pharmakologische Eckdaten zu Salinomycin für nachfolgende präklinische Studien. Es wurde in vivo ein substanzspezifisches Risikoprofil für die Weiterentwicklung des Wirkstoffs in experimentellen und klinischen Anwendungen generiert. Darüber hinaus gelang es, einen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung der neurologischen Nebenwirkungen von Salinomycin zu etablieren.

Introduction: Salinomycin is a polyether antibiotic commonly used in agriculture and veterinary medicine to prevent and treat coccidial infections. In 2009, it was shown to exert profound cytotoxic efficacy against cancer stem cells and a variety of multidrug resistant tumor cells both in vitro and in vivo.[1] Although several studies found the drug to exhibit promising anti-tumor properties, numerous veterinary case reports describe accidental intoxications with Salinomycin suggesting a severe toxicity of the substance.[2], [3] To date, there is only scarce pharmacological data as well as safety information on the compound. However, both are essential for drug safety evaluation with regard to a translational use of this substance in the clinical setting. Objective: The aim of this study was to define a well-tolerated daily dose of SAL and to characterize the pharmacokinetic profile. Furthermore, we aimed to assess the systemic and neurotoxic side effects of Salinomycin and to investigate an interventional approach to reduce neurotoxicity in vivo. Methods: We designed an in vivo model for chronic treatment with Salinomycin in C57Bl/6J mice over a period of 28 days and assessed the pharmacokinetic profile after single intraperitoneal injection by liquid chromatography-tandem mass spectrometry. In a second cohort, we examined the systemic and neurotoxic side effects of the drug using behavioural assessment, electrophysiology of the tail nerve, blood analysis, as well as histological examination of internal organs. We further investigated whether neurotoxic effects can be prevented by targeting the intracellular calcium homeostasis through pharmacological inhibition of the mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger. Results: Salinomycin has a small therapeutic range in which a dose of 5 mg/kg body weight is well tolerated in mice. Pharmacokinetic analysis displayed low micromolar peak concentrations at 30 minutes after intraperitoneal administration and a systemic elimination within 5 hours. We observed low systemic toxicity in the analysis of blood parameter and the histological examination of extracted organs. Interestingly, animals treated with a daily dose of 5 mg/kg salinomycin developed characteristic features of a predominantly axonal sensory polyneuropathy. This was characterized by mechanical and cold allodynia, distinct alterations in gait as well as lowered sensory nerve action potential amplitudes and partially reduced nerve conduction velocities in the electrophysiological testing. However, inhibition of the mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger did, in part, prevent the emergence of Salinomycin-induced neuropathy in vivo. Conclusion: Our study delivers benchmark data on the pharmacokinetic properties of Salinomycin and provides safety information for further preclinical and future translational trials. In addition, we established an interventional approach to prevent neurotoxic side effects of Salinomycin.