Antibody-Drug Conjugates Targeting Tumour Angiogenesis

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1 DISS. ETH NO Antibody-Drug Conjugates Targeting Tumour Angiogenesis A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Alessandro Palumbo Laurea in Biotecnologie Mediche e Farmaceutiche; Laurea Specialistica in Biotecnologie Mediche, Molecolari e Cellulari; Università Vita-Salute San Raffaele Born Citizen of Italy Accepted on the recommendation of Prof. Dr. Dario Neri, examiner Prof. Dr. Cornelia Halin-Winter, co-examiner 2010

2 1 Summaries 1.1 Summary One of the main problems associated with current tumour therapies is their poor selectivity between cancerous and normal cells, which results in a high drug-related toxicity that limits the dosage that can be administered to patients. To overcome this problem, this work focused on antibody-drug conjugates, a therapeutic approach designed to provide site-specific delivery of cytotoxic agent for tumour therapy. In the first part of this thesis, different conjugation methodologies were investigated, with the ultimate aim to develop cytotoxic antibody-drug conjugates that are both highly potent and safe. As model, a variety of antibody-photosensitiser conjugates were prepared and extensively characterised. As first result, a site-specific and stoichiometric conjugation strategy was developed. The second part of the thesis describes an antibody-photosensitiser conjugate which was capable of highly selective in vivo localisation around tumour blood vessels allowing their selective disruption upon light irradiation, leading to complete and long-lasting tumour eradication. The observation that even tumour cells at the border with healthy tissue were killed as a result of immuno-photodynamic vascular damage prompted us to investigate whether certain leukocyte populations contribute to the total eradication of cancer cells. Indeed, depletion experiments revealed that Natural Killer cells are essential for the induction of complete responses. Non-melanoma skin cancers such as squamous cell carcinoma represents one of the most frequent types of cancer in the fair-skinned population, and its incidence is increasing worldwide. As this malignancy constitutes one of the main indications for photodynamic therapy (PDT) in the clinic, we set out to validate our immuno-pdt regimen in a relevant mouse model of nonmelanoma skin cancer. Altogether, the results obtained in this thesis reinforce the concept that vascular shut-down can induce a curative avalanche of tumour cell death and suggest that potent and selective vascular targeting antibody-drug conjugates 8

3 could represent an important pharmaceutical strategy for the therapy of cancer and other angiogenesis related diseases. 9

4 1.2 Riassunto Uno dei maggiori problemi associati alle attuali terapie anti-tumorali è la loro scarsa selettività fra cellule normali e tumorali: questo risulta in un alta tossicità che limita il dosaggio di farmaco che può essere somministrato al paziente. Proprio nel tentativo di ovviare a questo problema, questo lavoro si è focalizzato su anticorpi-farmaco coniugati, un approccio terapeutico ideato col fine di veicolare specificamente agenti citotossici al sito tumorale. Nella prima parte di questa tesi, diverse metodologie di coniugazione sono state studiate, con lo scopo ultimo di sviluppare anticorpi coniugati a farmaci citotossici che siano allo stesso tempo molto potenti e sicuri. Come sistema modello, diversi anticorpi coniugati a fotosensibilizzatori sono stati preparati e poi caratterizzati estensivamente. Come primo risultato, una metodologia di coniugazione, sito-specifica e stechiometricamente definita, é stata messa a punto. La seconda parte della tesi descrive un anticorpo coniugato ad un fotosensibilizzatore che é in grado di localizzarsi specificamente in vivo intorno a vasi sanguigni tumorali, permettendone la distruzione selettiva a seguito d irradiazione con luce visibile, risultando in una completa e durevole eradicazione del tumore. L osservazione che anche le cellule tumorali al confine con tessuti sani siano distrutte in seguito a danno vascolare indotto dal trattamento immuno-fotodinamico ha poi spronato ad investigare se alcune popolazioni leucocitarie contribuissero all eradicazione totale delle cellule cancerose. Di fatto, esperimenti di deplezione hanno rivelato il ruolo essenziale delle cellule Natural Killer nell induzione di risposte complete. I tumori della pelle non appartenenti alla categoria dei melanomi, come il carcinoma spino cellulare, rappresentano uno dei più frequenti tipi di cancro nelle popolazioni di pelle chiara, e la loro incidenza è in aumento su scala mondiale. Considerando che questa patologia costituisce une delle indicazioni primarie per l uso di terapia fotodinamica nella pratica clinica, un modello murino rilevante per questo cancro è stato poi messo a punto per testare validare il trattamento immuno-fotodinamico precedentemente sviluppato. Per concludere, i risultati ottenuti in questa tesi rafforzano il concetto che un occlusione dei vasi tumorali può avere un effetto curativo attraverso 10

5 l induzione di un effetto a cascata di morte cellulare nei tumori e suggerisce che anticorpi-farmaco coniugati potenti e selettivi per colpire i vasi sanguigni del tumore rappresentano un importante strategia per la terapia del cancro e di altre malattie connesse alla neo-angiogensesi. 11

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