Colorectal cancer is the third most common and second most deadly cancer worldwide. Over the last decades, a lot of improvements in the survival of early stages of CRC have been made. Therapy regimens have improved over the last decades, elevating the overall survival of CRC patients with stage I-III. However, the majority of patients die from the metastatic burden of the disease. Early stratification of patients highly prone for metastasis employing causal biomarkers with subsequent intervention is essential to aid in the survival of these patients. An emerging key metastatic biomarker is Metastasis-associated in Colon Cancer 1 (MACC1), which is directly linked to reduced survival, metastasis formation and therapy resistance. Its causal nature for metastasis formation makes it an excellent prognostic tool and therapy target. Circulating cell free RNA can be used to stratify patients highly prone to metastasis. Novel intervention strategies targeting MACC1 are still missing. Therefore, the first aim of this project was to characterize the novel small molecule Compound 22 for the transcriptional inhibition of the MACC1 gene. To do so, ADMET, in vivo and cross entity studies were conducted. Compound 22 displayed drug-like characteristics and antimetastatic properties in cell lines and CRC CDX mouse models. Moreover, the mechanism of action was deconvoluted. The NFκB signaling pathway was reduced, leading to a reduction of the MACC1 gene expression. Compound 22 effectively blocked the TNF-α induced activation of the MACC1 gene expression. This has been shown to be facilitated by a reduced activity of p105 and the subsequent reduction of transcription factor activity of this pathway. Furthermore, MACC1 employs other metastatic genes, such as S100A4, to increase the motility of cancer cells. S100A4 can directly interact with proteins of the cytoskeleton, granting cancer cells higher mobility. Moreover, it induces the degradation of the ECM and ultimately leads to higher metastasis formation. The second aim of this project was focused on characterizing repurposed and novel S100A4 transcriptional inhibitors. First, the repurposed compound cantharidin and its analogue were characterized in CRC cancer cell lines. Cantharidin and its analogue reduced the MACC1 and S100A4 gene expression and functions mediated by them. Further, a high-throughput screen was conducted to search for novel S100A4 transcriptional inhibitors. E12 was identified and its antimetastatic effects were demonstrated in CRC cancer cell lines and in a CRC CDX metastatic mouse model. The identification of repurposed and novel antimetastatic compounds targeting MACC1 and S100A4 represent promising intervention strategies for personalized care of patients highly prone to metastasis formation. A combination of MACC1 and S100A4 targeted intervention shows synergistic effects, which can be exploited for improvement of patient survival.
Darmkrebs ist weltweit die dritthäufigste und zweittödlichste Krebserkrankung. In den letzten Jahrzehnten wurden große Fortschritte bei der Überlebensrate im Frühstadium von Darmkrebs erzielt. Auch die Therapien haben sich in den letzten Jahrzehnten verbessert, wodurch das Gesamtüberleben von Patienten mit Darmkrebs im Stadium I-III gestiegen ist. Dennoch versterben die meisten Patienten an den Folgen der Metastasierung. Die frühzeitige Risikostratifizierung von Patienten mit hohem Metastasierungsrisiko mithilfe kausaler Biomarker und die anschließende Intervention sind daher essenziell für das Überleben dieser Patienten. Ein wichtiger, sich in der Forschung als Metastasierungsrisiko etablierender Biomarker ist Metastasis-associated in Colon Cancer 1 (MACC1), der direkt mit reduziertem Überleben, Metastasierung und Therapieresistenz in Verbindung steht. Aufgrund seiner ursächlichen Rolle bei der Metastasierung eignet er sich hervorragend als Prognoseinstrument und Therapieziel. Zirkulierende zellfreie RNA kann zur Risikostratifizierung von Patienten mit hohem Metastasierungsrisiko eingesetzt werden. Neue Interventionsstrategien, die auf MACC1 abzielen, fehlen jedoch noch. Das erste Ziel dieses Projekts war daher die Charakterisierung der neuen niedermolekularen Verbindung Compound 22 hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur transkriptionellen Hemmung des MACC1-Gens. Hierzu wurden ADMET-, In- vivo- und Cross-Entity-Studien durchgeführt. Compound 22 zeigte arzneimittelähnliche Eigenschaften und antimetastatische Wirkungen in Zelllinien und Darmkrebs CDX- Mausmodellen. Darüber hinaus wurde der Wirkmechanismus aufgeklärt. Der NFκB- Signalweg wurde reduziert, was zu einer verminderten Expression des MACC1-Gens führte. Compound 22 blockierte effektiv die TNF-α induzierte Aktivierung der MACC1- Genexpression. Dies wurde durch eine reduzierte Aktivität von p105 und die daraus resultierende verminderte Aktivität der Transkriptionsfaktoren dieses Signalwegs vermittelt. MACC1 nutzt zudem andere metastatische Gene wie S100A4, um die Motilität von Krebszellen zu erhöhen. S100A4 kann direkt mit Proteinen des Zytoskeletts interagieren und so die Mobilität von Krebszellen steigern. Darüber hinaus induziert es den Abbau der extrazellulären Matrix (ECM) und führt letztendlich zu einer verstärkten Metastasierung. Das zweite Ziel dieses Projekts war die Charakterisierung umfunktionierter und neuartiger S100A4-Transkriptionsinhibitoren. Zunächst wurden die umfunktionierten Verbindungen Cantharidin und ihr Analogon in CRC-Zelllinien charakterisiert. Cantharidin und ihr Analogon reduzierten die Genexpression von MACC1 und S100A4 sowie die von ihnen vermittelten Funktionen. Anschließend wurde ein Hochdurchsatz-Screening durchgeführt, um neue S100A4-Transkriptionsinhibitoren zu identifizieren. Dabei wurde E12 identifiziert und seine 3 antimetastatische Wirkung in CRC-Zelllinien sowie in einem Darmkrebs CDX- Metastasierungsmausmodell nachgewiesen. Die Identifizierung umfunktionierter und neuartiger antimetastatischer Verbindungen, die auf MACC1 und S100A4 abzielen, stellt vielversprechende Interventionsstrategien für die personalisierte Behandlung von Patienten mit hohem Metastasierungsrisiko dar. Die Kombination von MACC1- und S100A4-gerichteten Interventionen zeigt synergistische Effekte, die zur Verbesserung des Patientenüberlebens genutzt werden können.
