PARP1 inhibitors for cancer combination therapy: merging liposome encapsulation and UVC irradiation

Abstract

O cancro é uma doença multifatorial e representa um sério problema de saúde em todo o mundo. Uma vez que o seu tratamento por radioterapia apresenta graves efeitos secundários citotóxicos, alguns métodos alternativos são tidos em conta para os ultrapassar. Por sua vez, a eficiência da terapia pode ser maximizada através do uso de moléculas que modelam o efeito da radiação, tais como os inibidores da PARP1 (PARPi). Embora tenha sido provado que PARPi aumenta a sensibilidade das células para a radiação UV, e que UVC e PARPi conduzem à morte das células cancerígenas, o efeito combinado de PARPi + lipossomas + UVC permanece por ser descrito e nenhuma informação é encontrada sobre o efeito da exposição a UVC em PARPi. Como tal, os principais objetivos deste trabalho foram 1) produzir, purificar e estabilizar a proteína PARP1 humana; 2) determinar a melhor formulação lipídica para o encapsulamento dos inibidores Veliparib, Rucaparib e Niraparib; 3) compreender as interações físicas de PARPi + lipossomas; 4) determinar o efeito da exposição UVC em PARPi e 5) revelar o potencial da terapia de combinação PARPi + lipossomas + UVC. Para tal, foi desenvolvido e otimizado um protocolo de produção e purificação da PARP1 humana, e tentada a sua estabilização, por forma a ser usada em ensaios relativos à combinação de PARPi + radioterapia. Foi também verificado que lipossomas contendo lípidos negativamente carregados, como DPPG, são a melhor opção para o encapsulamento de PARPi, e que a interação com a membrana lipídica é feita através dos grupos carbonilo. Desta forma, constituindo a primeira evidência que aponta DPPG como o lípido de escolha para a formulação de lipossomas para PARPi. Adicionalmente, este trabalho fornece a primeira evidência sobre o efeito de UVC e DPPG, na capacidade inibitória de Veliparib. É revelado também o processo e produtos de degradação do mesmo, ajudando assim no processo futuro de maximização da terapia combinada de PARPi e revelando o seu potencial terapêutico.

Cancer is a multifactorial disease that constitutes a serious health problem worldwide, and its standardized treatments, such as radiation therapy, present major cytotoxic side effects, which can be circumvent by alternative approaches. The efficiency of cancer therapy can be maximized with molecules that modulate radiation effect, such as PARP1 inhibitors (PARPi). Even though it was proved that PARPi increases cell sensitization to UV radiation and that combination of UVC and PARPi leads to cancer cell death, the combined effect of PARPi + liposomes + UVC irradiation remains to be described in literature and no information can be found in relation to the effect of UVC exposure on PARPi. Thus, the main goals of this work were to 1) produce, purify and stabilize a human PARP1 protein; 2) uncover best liposome formulation or lipid content for maximal encapsulation of PARP1 inhibitors Veliparib, Rucaparib and Niraparib; 3) understand the physical interactions of PARPi and liposomes; 4) determine the effect of UVC exposure on PARPi inhibitor capability and finally 5) unveil the potential of combining PARPi + liposomes + UVC. For this, a production and purification protocol was developed and optimized for human PARP1, and protein maximal stabilization was attempted, for further assessments regarding PARPi + radiation therapy. It was uncovered that liposome formulations containing negatively charged lipids, such as DPPG, were the best choice for PARPi encapsulation and that interaction with lipid membrane was done preferentially through the carbonyl groups. This constitutes the first evidence that points DPPG as the lipid of choice for PARPi liposome formulations. Moreover, this work provides the first evidence on the effect of UVC exposure and DPPG encapsulation on Veliparib's inhibitory capability, and unveils the degradation process and products, thus helping in how to continue with the maximization of PARPi combination therapy and unveiling its therapeutic potential.