Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Anwendungssicherheit und Wirksamkeit von in Alginat suspendierten mit Doxorubicin und Irinotecan beladenen Mikrosphären im Glioblastom-Rattenmodell

Mertens, Patricia

Despite multimodal treatment options the response to therapy and the survival rate of patients with malignant gliomas remains disappointing. Local intracavitary chemotherapeutic drugs have received a great deal of attention since the arrival of intratumoral nitrosourea preparations (BCNU, Gliadel®) delivered through a biodegradable polymer. They combine a high local dosage with low systemic toxicity for the treatment of a mainly focal pathology. The delivery of cytostatics restricted to the tumour has proven to be an efficacious therapeutic approach that is still in need of further improvement. Momentarily Drug-Eluting Beads (DEB) are being used as a drug delivery system for trans-arterial chemoembolisation in liver tumors. In a recent study by Freund 2007 microspheres loaded with doxorubicin or irinotecan were tested in a rat glioma model. Aside from the prolonged survival of rats treated with doxorubicin- or irinotecan-DEBs it was found that non-tumorous brain tissue was significantly affected by doxorubicin. Furthermore it was often observed that the DEBs had dislocated from the original implantation side. Therefore the efficacy of the therapeutic approach demonstrated in the experiments by FREUND 2007 was associated with an unacceptable safety risk in view of a possible clinical use. Aim of this study is an improved application safety and concomitant the anti-tumor efficacy of doxorubicin (0.5/1/10) and irinotecan loaded DEBs. For that purpose the DEBs were suspended in alginate gel and investigated in a rat glioma model. It could be demonstrated that the alginate suspension prevented these DEBs from dislocating at the implantation side. Thus safe positioning at the implantation site could be achieved. A long-term study of unloaded DEBs and alginate implanted into the brain parenchyma yielded no evidence of tissue bioincompatibility or impairment of the general state of health throughout the experimental period of 100 days. During evaluation of the toxicity of alginate suspended DEBs significant local side effects (hemorrhage and edema) were found after the implantation of doxorubicin loaded microspheres in the highest concentration (doxorubicin10) in the brain tissue. No effects could be seen with irinotecan-DEBs. An End-Point Study, Ki-67 immuno-staining and a Survival-Study proved the efficacy of doxorubicin10- and irinotecan-DEBs in tumor bearing rats. The End-Point study revealed significantly smaller tumor volumes in the treated animals. The Ki-67 immunostaining demonstrated the proliferation rate to be significantly lower in the treated tumors. Additionally the implantation of doxorubicin10-DEBs and to a lesser extent of irinotecan-DEBs resulted in a longer survival of the rats. This thesis also introduced a method that shows the distribution of doxorubicin within tumorous tissue. Using fluorescence microscopy a drug diffusion distance of 1-3 mm from the implantation site of Dox10-DEBs could be visualized. For the first time the release of doxorubicin from the DEBs and its tumor penetration was proven. Due to no available methodology the distribution of irinotecan and the active metabolites was not investigated in this study. In spite of the good efficacy of doxorubicin we would not recommend this drug for a clinical study because of its toxic side effects. Nevertheless the efficacy and the lack of side effects of irinotecan lead to its recommendation for a clinical trial. Therefore we assume that irinotecan in combination with alginate presents a therapeutic improvement for the local treatment of glioblastoma within the near future

Trotz multimodaler Behandlungsmöglichkeiten bleibt die Prognose maligner Gliome schlecht. Seit der Einführung von Nitrosoharnstoffen (BCNU, Gliadel®), die aus biologisch abbaubaren Polymeren freigegeben werden, hat es eine Fokussierung auf die lokale, intrakavitäre Verabreichung von chemotherapeutischen Wirkstoffen gegeben. Als Vorteil der lokalen Chemotherapie gelten eine hohe lokale Dosis bei gleichzeitig niedrigen systemischen Nebenwirkungen. Bisherige Untersuchungen nach Anwendung von Gliadel® haben eine signifikante Wirkung gezeigt. Allerdings beträgt die Verlängerung der Überlebenszeit nur wenige Monate. Daher wird die Wirksamkeit anderer Zytostatika und anderer Carrier Substanzen untersucht. Wirkstoff-freisetzende Mikrosphären (DEBs) sind bereits zur transarteriellen Chemoembolisation bei Lebertumoren eingesetzt worden. In einer vorangegangenen Studie (FREUND 2007) wurde die lokale Anwendung von Doxorubicin und Irinotecan beladenen DEBs im Glioblastom-Rattenmodell untersucht. Neben einer Wirksamkeit, die zu einer verlängerten Überlebenszeit der Ratten führte, wurden bei Doxorubicin Gewebeschäden auch im nicht tumorösen Bereich beobachtet. Weiterhin wurde eine Dislokalisation der DEBs von der ursprünglichen Implantationsstelle beobachtet. Dadurch wurde die klinische Anwendungssicherheit in Frage gestellt. Ziel dieser Untersuchung war daher die Verbesserung der Anwendungssicherheit bei gleichzeitig erhaltener antitumoröser Wirksamkeit von Irino-DEBs und Dox-DEBs (in niedrigeren Dosierungen), welche in Alginat suspendiert waren. Es konnte gezeigt werden, dass durch die intravitale Gelbildung des Alginats eine unkontrollierte Verteilung der DEBs im Gehirngewebe verhindert wurde. Somit konnte eine sichere Positionierung der DEBs erreicht werden. Eine Langzeitstudie über 100 Tage, bei der Alginat und unbeladene DEBs in das Gehirnparenchym implantiert wurden, ergab keine Hinweise auf Gewebeunverträglichkeiten sowie Störungen des Allgemeinbefindens bei den Ratten. In einer Toxizitätsstudie traten erhebliche lokale Nebenwirkungen in Form von Einblutungen und Ödemen ausschließlich nach der Implantation von Dox-DEBs in der höchsten Konzentration (Doxorubicin10) im Gehirngewebe auf. Die Wirksamkeit von Dox10-DEBs und von Irino-DEBs in den tumortragenden Ratten konnte durch eine End-Point Studie, Ki67 Färbungen sowie durch eine Survival Studie bewiesen werden. So konnte in der End-Point Studie eine signifikant geringere Tumorgröße bei den behandelten Tieren gezeigt werden. Zusätzlich ergaben die Auswertungen der immunhistologischen Ki67 Färbungen eine deutlich geringere Proliferationsaktivität aller behandelten Tumore. Die niedrigste Tumorzellproliferation konnte dabei in der Dox10-Gruppe erzielt werden. Die Behandlung vor allem mit Dox10-DEBs, aber auch mit Irino-DEBs, führte in der Survival Studie zu einer verlängerten Überlebenszeit der Tiere. Weiterhin wurde in der vorliegende Arbeit eine Methode zur Darstellung der Doxorubicin-Verteilung in tumorösem Gehirngewebe entwickelt. Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie konnte für Doxorubicin eine Diffusionsstrecke von 1-3 mm in das umliegende Gewebe gezeigt werden. Trotz der hohen Wirksamkeit von Dox10-DEBs erscheint eine klinische Anwendung  wegen der lokalen toxischen Gewebereaktionen als nicht möglich. Dagegen scheint Irinotecan in Verbindung mit Alginat aufgrund seiner Wirksamkeit und guten Gewebeverträglichkeit für eine zukünftige klinische Anwendung zur Behandlung von Glioblastomen geeignet zu sein.

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Mertens, Patricia: Anwendungssicherheit und Wirksamkeit von in Alginat suspendierten mit Doxorubicin und Irinotecan beladenen Mikrosphären im Glioblastom-Rattenmodell. Hannover 2008. Tierärztliche Hochschule.

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