AUGUST 2017 – A novel preventive therapy for paclitaxel-induced cognitive deficits: preclinical evidence from C57BL/6 mice

Petra Hühnchen ist Geförderte des BIH Charité Clinician Scientist Program​​​​​​​.

Abstract

Chemotherapy-induced central nervous system (CNS) neurotoxicity presents an unmet medical need. Patients often report a cognitive decline in temporal correlation to chemotherapy, particularly for hippocampus-dependent verbal and visuo-spatial abilities. We treated adult C57Bl/6 mice with 12 × 20 mg kg-1 paclitaxel (PTX), mimicking clinical conditions of dose-dense chemotherapy, followed by a pulse of bromodesoxyuridine (BrdU) to label dividing cells. In this model, mice developed visuo-spatial memory impairments, and we measured peak PTX concentrations in the hippocampus of 230 nm l-1, which was sevenfold higher compared with the neocortex. Histologic analysis revealed a reduced hippocampal cell proliferation. In vitro, we observed severe toxicity in slowly proliferating neural stem cells (NSC) as well as human neuronal progenitor cells after 2 h exposure to low nanomolar concentrations of PTX. In comparison, mature post-mitotic hippocampal neurons and cell lines of malignant cells were less vulnerable. In PTX-treated NSC, we observed an increase of intracellular calcium levels, as well as an increased activity of calpain- and caspase 3/7, suggesting a calcium-dependent mechanism. This cell death pathway could be specifically inhibited with lithium, but not glycogen synthase kinase 3 inhibitors, which protected NSC in vitro. In vivo, preemptive treatment of mice with lithium prevented PTX-induced memory deficits and abnormal adult hippocampal neurogenesis. In summary, we identified a molecular pathomechanism, which invokes PTX-induced cytotoxicity in NSC independent of cell cycle status. This pathway could be pharmacologically inhibited with lithium without impairing paclitaxel's tubulin-dependent cytostatic mode of action, enabling a potential translational clinical approach.

Interview

Im August erhielten Wolfgang  Böhmerle, Matthias Endres und Petra Hühnchen die Auszeichnung Paper of the Month. Wir haben sie zu der Forschung und dem Projekt befragt.

Woran forschen Sie? Was ist der Kern Ihrer Forschung?

Unsere Arbeitsgruppe interessiert sich für neurologische Folgeerkrankungen, die durch Krebstherapien verursacht werden. Hintergrund des Interesses ist, dass neurotoxische Phänomene zu den häufigsten Nebenwirkungen vieler Zytostatika (Substanzen, die das Zellwachstum hemmen) zählen. Sie können das periphere Nervensystem betreffen (Chemotherapie-induzierte Neuropathie (CIN)) oder zu diffusen Veränderungen der kognitiven Funktionen (Chemotherapie-induzierte Gedächtnisstörungen) führen. Beide Erkrankungen sind bislang wenig verstanden und es existieren keine Behandlungsmöglichkeiten. Gleichzeitig schränken sie die Lebensqualität der Betroffenen deutlich ein und führen häufig zu Abbrüchen der Tumortherapie.

Ziel unserer Forschung ist das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen und in einem translationalen Ansatz die Verbesserung der Lebensqualität betroffener Patientinnen und Patienten.

Was ist die zentrale Kernaussage Ihrer Publikation und wodurch unterscheidet sich Ihre Studie von den Arbeiten anderer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in diesem Feld?

In unsere präklinischen Arbeit haben wir ein Mausmodell etabliert, mit dem wir Gedächnisstörungen untersuchen konnten, die durch das Zytostatikum Paclitaxel hervorgerufen werden. Zunächst untersuchten wir die Menge des Paclitaxel in verschiedenen Bereichen des Mäusegehirns. Hierbei zeigte sich eine erhöhte Konzentration in der Hippocampusformation, eine für Lernen und Gedächtnis wichtige Struktur. Feingewebliche Untersuchungen dieser Struktur nach Paclitaxelbehandlung zeigte eine deutlich verminderte Neubildung von Neuronen aus Stammzellen. In weiteren Schritten erfolgte in verschiedenen Zellmodellen die Untersuchung des Schadensmechanismus, sowie die Etablierung von Strategien zum Schutz der Neuronen. Als pharmakologisch potenziell leicht translatierbarer Ansatz erwies sich eine präventive Lithiumbehandlung sowohl im Zell- als auch im Tiermodell als effektiv. Unsere Studie erweitert die bestehende Literatur im Hinblick auf die zugrundeliegenden Schadensmechanismen und etabliert eine mögliche Präventionsstrategie.

Mit welchen Kooperationspartnern ist die Publikation entstanden? Wer war maßgeblich mit daran beteiligt?

Die Publikation entstand in Kooperation mit der Core Facility Stammzellen des BIH in enger Abstimmung mit Dr. Harald Stachelscheid sowie mit der Massenspektrometrie Core Facility der FU Berlin unter Leitung von Dr. Andreas Springer. Beide Kooperationspartner waren für den integrativen Ansatz der Arbeit von entscheidender Bedeutung.

Welche nächsten Schritte sind für das Projekt geplant und was sind mögliche Implikationen Ihrer Ergebnisse für Patientinnen und Patienten?

Gegenwärtig führen wir in Kooperation mit der Klinik für Gynäkologie am Campus Virchow-Klinikum sowie dem Brustzentrum der Charité eine longitudinale Beobachtungsstudie neurologischer Folgeerkrankungen an Paclitaxel behandelten Patientinnen mit Ovarial- und Mammakarzinomen durch. Zusammen mit unseren präklinischen Arbeiten stellen diese Daten das Fundament für eine geplante Interventionsstudie mit Lithium dar (Investigator Initiated Trial - IIT). Ziel ist somit die klinische Translation und zukünftige Verbesserung der Lebensqualität onkologischer Patientinnen und Patienten.