Introduction/Objective: Despite a lot of progress in cancer research throughout the last decades, cancer is still a leading cause of death in Germany. Tumorigenesis is a multi-step process which is accompanied by substantial changes in genome organization. The tumoral microevolution leads to therapy resistance and progression of disease. One key approach for anticancer therapy is drug combination. Drug combination can help to reduce doses and thereby decrease side effects. Furthermore, the likelihood of drug resistance is reduced. This work is dedicated towards detecting a promising drug combination among 14 selected compounds targeting mainly genome and metabolism that exerts synergistic antitumoral effects and thereby recommends itself for further preclinical and clinical studies. Methods: 111 previously published SNP arrays from three different cancer types (pancreatic, breast and skin) and from non-malignant control samples as well as 917 arrays from cancer cell lines were analyzed for breakpoint regions. MTT and SRB assays were conducted for dose response curves, screening experiments and subsequent quantification of synergistic interaction in the breast cancer cell line MCF-7. The most promising combination was evaluated in seven other cell lines derived from hepatocellular carcinoma, glioblastoma, colon, lung and cervical cancer tissues. Western Blot, FACS and HPLC analyzes were performed to further investigate the effect of this combination on cell cycle, apoptosis and formation of reactive oxygen species. Real-time metabolic measurements (Seahorse XF Analyzer) were conducted to analyze Dichloroacetate mediated metabolic alterations. Results: Some breakpoint regions were not randomly involved in genome reorganization since we detected fifteen of them in at least 20% of all tumor samples. The screening method (Minimalistic Drug Interaction Screening, MDIS) proved to be an efficient and reliable tool for the detection of synergistic drug interactions. A total of six drug combinations were identified. The newly detected synergism of DCA and PX-478 is observed in all eight cancer cell lines. Furthermore, this combination led synergistically to an increase of ROS, an inhibition of proliferation and the induction of apoptosis. Conclusion: The Minimalistic Drug Interaction Screening proved to be cost- and time-efficient and delivered reliable results. The newly found combination of DCA and PX-478 shows synergistic activity in eight out of eight cancer cell lines, whereas the non-cancerous cell line HEK-293 was only minimally affected. In vivo experiments are necessary to evaluate if the combination can be recommended for clinical trials.
Hintergrund/Ziele: Trotz zunehmender wissenschaftlicher Erkenntnisse in der Tumortherapie stellen Krebserkrankungen immer noch eine der Haupttodesursachen in Deutschland dar. Tumorentstehung ist ein komplexer mehrstufiger Prozess, welcher von substanziellen Veränderungen in der Genomstruktur begleitet wird. Die tumoröse Mikroevolution ist eine der Hauptursachen für die Entwicklung von Therapieresistenz und Progredienz dieser Erkrankung. Ein Schlüssel zur erfolgreichen Tumorbehandlung kann eine frühzeitige Kombinationstherapie darstellen. Die Kombination von Medikamenten kann Nebenwirkungen sowie die Wahrscheinlichkeit einer Therapieresistenz reduzieren. Ziel dieser Arbeit ist es, aus 14 ausgewählten Substanzen, die in Zellmetabolismus, Genomaktivität, Proliferation und Zellüberleben eingreifen, eine synergistische Kombination zu identifizieren, die vielversprechende antitumoröse Wirkung besitzt. Methoden: SNP-Array Daten von 111 Tumorproben (Pankreas, Brust, Haut) und nicht-maligne Kontrollproben sowie von 917 Krebszelllinien wurden auf Bruchpunktregionen hin analysiert. Für die Erstellung von Dosis-Wirkungsbeziehungen, die Screening-Experimente und die darauffolgende Quantifizierung synergistischer Interaktionen wurden die Zellproliferationsraten mit MTT-Analysen und die zelluläre Proteinmasse mit SRB-Analysen bestimmt. Die vielversprechendste Kombination wurde in insgesamt acht Tumorzelllinien verschiedener Abstammung (Glioblastom, Kolon-, Lungen-, Zervixkarzinom und hepatozelluläres Karzinom) untersucht. Western Blot, FACS und HPLC Analysen wurden durchgeführt um die vielversprechendste Kombination in Bezug auf Zellzyklus, Apoptoseinduktion und die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies weiter zu untersuchen. Metabolische Echtzeit-Untersuchungen wurden mit Dichloroacetat in MCF-7 Zellen mittels Seahorse XF Analyzer durchgeführt. Ergebnisse: Eine umfassende Reorganisation des Genoms konnte für Tumore beschrieben werden. Interessanterweise konnten wir fünfzehn Bruchpunktregionen detektieren, die in mindestens 20 % aller Tumore zu finden waren. Eine Bruchpunktregion befand sich sogar in 43 % aller Tumore bzw. in 35 % aller (917) untersuchten Zelllinien. Die entwickelte Screening Methode (Minimalistic Drug Interaction Screening, MDIS) erwies sich als verlässlich und praktikabel. Für sechs Wirkstoffkombinationen konnten eine synergistische Aktivität bestimmt und quantifiziert werden. Die neu beschriebene Kombination von DCA und PX-478 zeigte eine synergistische Wirkung in allen acht untersuchten Zelllinien. Es wurde gezeigt, dass mit dieser synergistischen Wirkung eine vermehrte Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies, eine Induktion der Apoptose, sowie ein Zellzyklusarrest einhergehen
