Identification and characterization of sulindac sulfide as a novel type of 5-lipoxygenase inhibitor with clinical relevance

During the last years, chemopreventive activity of NSAIDs against a great variety of tumors was highly investigated. COX-2 seemingly plays a major part in tumorigensis and tumor development, underlined by several studies in animals and humans. At first, NSAIDs were thought to accomplish chemoprevention by inhibition of COX-2 as their so far known mode of action comprises unselective inhbition of COX-enzymes. However, further studies revealed COX-independent mechanisms. Sulindac is known as a well established drug used to treat inflammation and pain exerting the most prominent chemopreventive action, mainly in colorectal cancer or FAP and can be classified into the group of NSAIDs inhibting both COX-isoformes. As interference with the AA metabolism is evident, it was speculated whether Ssi has targets other than COX-enzymes providing evidence and explanation of its beneficial side effect profile and its ability to reduce tumor growth. 5-LO is another master enzyme in the AA cascade which produces inflammatory lipid mediators (LTs) upon stimulation in inflamed tissues. The present work should answer the question if Ssi targets the 5-LO pathway and should examine the molecular mechanisms behind Ssi-mediated 5-LO inhibiton. As COX-2 is upregulated during carcinogenesis and is inhibited by Ssi, further investigations should show regulatory effects of Ssi on 5-LO gene expression in MM6-cells and whether Sp1 as a common transcriptional factor is involved in such a regulation. As the use of NO-NSAIDs seem to be a promising strategy concerning their chemopreventive and gastroprotective effects compared to the parent NSAIDs, a possible interaction with the 5-LO pathway as a second, potent target should additionally be elucidated. In the first section it was demonstrated that the pharmacologically active metabolite of sulindac, Ssi, targets 5-LO. Ssi inhibited 5-LO in ionophore A23187- and LPS/fMLP-stimulated human PMNL (IC50 ≈ 8 -10 μM). Importantly, Ssi efficiently suppressed 5-LO in human whole blood at clinically relevant plasma levels (IC50 = 18.7 μM). Ssi was 5-LO-selective as no inhibition of related lipoxygenases (12-LO, 15-LO) was observed. The sulindac prodrug and the other metabolite, sulindac sulfone, failed to inhibit 5-LO. Mechanistic analysis demonstrated that Ssi directly suppresses 5-LO with an IC50 of 20 μM. Together, these findings may provide a novel molecular basis to explain the COX-independent pharmacological effects of sulindac under therapy. In the second part of the work dealing with the analysis of Ssi’s inhibitory mechanism on 5-LO it was presented that Ssi shows a lack of potency in cellular systems where membrane constituents are existent. The addition of microsomal fractions of PMNLto crude 5-LO enzyme were able to recover enzyme activity to ~ 100 %. Selectively 5-LO activity stimulating lipids like PC, participating in 5-LO membrane interactions within the regulatory C2-like domain of 5-LO, counteracted the Ssimediated inhibition on 5-LO-wt in a concentration-dependent manner. Lastly, a protein mutant lacking three trp resudies essential for linking the enzyme to nuclear membranes and deploying catalytic activity was not influenced by Ssi and shows enzyme activity in a cell-free assay. Ssi displays the first 5-LO inhibitor on the market interacting with the C2-like domain of the enzyme and therfore can stand for a novel lead structure of 5-LO inhibitors. An influence on 5-LO gene expression by Ssi could be detected in differentiated MM6-cells, described in the results chapter 3 (4.3). Ssi downregulated the 5-LO mRNA level after 72 hrs of incubation in differentiated MM6-cells to ~ 20 % of output control at concentrations of 10 μM. Concomitantly, mRNA levels of Sp1 were suppressed. Reporter gene studies revealed Sp1 most probably as a regulating agent involved in the Ssi-mediated 5-LO mRNA downregulation as co-transfection of increasing amounts of Sp1 could abrogate the effect. A ChIP assay could identify Sp1 as a critical transcriptional factor as Sp1 binding to the 5-LO promoter decreased in presence of Ssi. Lastly, three NO-NSADIs (NO-sulindac, NOnaproxen, NO-aspirin) were tested for the ability of 5-LO product inhibition. In intact PMNL, all compounds showed effective inhibition of 5-LO activity and NO-sulindac was most potent with an IC50 value of ~ 3 μM. NO-ASA inhibited 5-LO with IC50 values of ~ 30 μM and showed a non-competitive mode of action in cell-based assays. On human recombinant 5-LO all compounds again showed inhibitory potency whereas NO-sulindac again suppressed LT biosynthesis with an IC50 vaue comparable to intact cellular systems. Unfortunately, all inhibitors showed a loss of potency when tested for inhibition of 5-LO product synthesis in human whole blood as higher concentrations up to 100 μM were needed to reach at least 55 % enzyme inhibition. However, this strategy of 5-LO inhibition seems promising and needs further experimental approaches to gain more insight into the mechanism of 5-LO inhibition by NONSAIDs.Die chemopräventiven Wirkungen von nichtsteroidalen Antirhheumatika (NSAR) erfuhren in den letzten Jahren reges Interesse und waren Gegenstand einer Vielzahl von Studien. In diversen Untersuchungen in Tiermodellen, aber auch in Humanstudien konnte gezeigt werden, dass das Enzym Cyclooxigenase-2 (COX-2) eine wesentliche Rolle bei der Tumorentstehung sowie in der Tumorentwicklung spielte. Durch Umsetzen des natürlichen Substrates Arachidonsäure (AA) entstehen im sogenannten Eicosanoid-Stoffwechsel die Prostaglandine (PG). In Tumorgeweben, vor allem bei kolorektalen Karzinomerkrankungen, sind eine Überexpression der COXEnzyme sowie dementsprechend eine erhöhte PG-Synthese zu beobachten. Die durch enzymatische Aktivität der COX-2 synthetisierten PG stellen Trigger der tumorassoziierten Angiogenese dar, wirken modulatorisch auf das Immunsystem und regulieren Zellmigration und Zellinvasion. Die COX-2 stellte somit ein vielversprechendes Targetmolekül für die Krebsforschung dar. Da NSAR als primär bekannten Wirkungsmechanismus über eine unselektive Hemmung beider Isoformen der COX-Enzyme wirken, erklärte man sich auch die chemopräventiven Wirkungen dieser Substanzen über die Inhibition der COX-2-Aktivität. Jedoch lieferten viele Untersuchungen auch Hinweise auf COX-unabhängige Mechanismen. Sulindac, einzuordnen in die Gruppe der NSAR, stellt einen schon lange am Mark befindlichen und untersuchten Wirkstoff dar, der zur Behandlung von Schmerzen und entzündlichen Erkrankungen eingesetzt wird. Der bisher bekannte Wirkmechanismus des aktiven Metaboliten von Sulindac, Sulindac-Sulfid (Ssi), ist die unselektive COX-Hemmung. Unter den NSAR stellt Sulindac den potentesten Vertreter der chemopräventiven Wirkstoffe dar und wird hier vor allem zur Behandlung von familiärer adenomatöser Polyposis (FAP) und bei kolorektalen Karzinomerkrankungen eingesetzt. Da NSAR respektive Sulindac über die COX-Hemmung in den AA-Stoffwechsel eingreifen, war eine naheliegende Vermutung, dass Ssi auch andere Enzyme in diesem Stoffwechselweg beeinflusst. Dies könnte das nebenwirkungsarme Profil bezüglich gastrointestinaler Schädigungen sowie auch die chemopräventiven Wirkungen erklären. Die 5-Lipoxygenase (5-LO) stellt ein weiteres Hauptenzym im AA-Metabolismus dar und synthetisiert proinflammatorische Lipidmediatoren, die sogenannten Leukotriene (LT) nach erfolgter Stimulation der Zelle bei Entzündung. Die vorliegende Arbeite sollte nun untersuchen, ob Ssi mit dem 5-LO-Signalweg interagiert und möglicherweise einen Einfluss auf die LT-Biosynthese hat. Des Weiteren sollten mögliche zugrundeliegende molekulare Mechanismen aufgeklärt werden. Da die COX-2 in Tumorgeweben hochreguliert ist und durch NSAR eine Regulation der Expression erzielt werden kann, sollte anschliessend auch ein etwaiger Einfluss von Ssi auf die Expression des 5-LO Enzyms untersucht werden. Es stelle sich die Frage, ob Sp1, ein bekannter Transkriptionsfaktor, bei einer etwaigen Regulation im zellulären System in Mono-Mac-6 (MM6) Zellen beteiligt sein könnte. Eine neue, vielversprechende Strategie im Hinblick auf gastroprotektive als auch chemopräventive Eigenschaften stellt die Entwicklung der sogenannten Nitro-NSAR dar (NO-NSAR), welche im Vergleich zu den herkömmlichen NSAR einen NO-freisetzende Substituenten und die Struktur eines NSAR kombinieren, verbunden durch ein Spacermolekül. Da aufgrund der PG-Hemmung deren zytoprotektive Eigenschaften wegfallen, war es naheliegend, die vorteilhaften PG-Wirkungen durch im Gastrointestinaltrakt lokal freigesetztes NO zu imitieren. NO-NSAR zeigten im präklinischen Modell der Zellkultur und auch im Tiermodell chemopräventive Eigenschaften bei verschiedenen Krebsarten. Vorliegend sollte hier evaluiert werden, ob verschiedene NO-NSAR die 5-LO als Zielstruktur adressieren. Im ersten Teil der Arbeit konnte gezeigt werden, dass das NSAR Ssi als ein potenter Hemmstoff der 5-LO agiert. Es stellte sich heraus, dass nur Ssi als der pharmakologisch wirksame Metabolit von Sulindac einen Einfluss auf die LT-Biosynthese aufwies, nicht jedoch das Prodrug Sulindac und der Metabolit Sulindac-Sulfon. Weitere getestete Verbindungen, die der Klasse der NSAR zuzuordnen sind (Diclofenac und Indomethacin) hatten keine inhibitorische Wirkung auf die Aktivität der 5-LO. Die Hemmwirkung von Ssi auf die 5-LO wurde werder durch die Abwesenheit noch durch steigende Mengen an natürlichem Substrat des Enzyms, der AA, in Konzentrationen von 2μM und 20μM verringert. Des Weiteren zeigte sich in der Produktanalyse frt 15-Lipoxygenase (15-LO), die auch in Granulozyten vorkommt, eine Selektivität von Ssi für 5-LO. Die in Plättchen vorkommende 12-Lipoxygenase (12-LO) wurde in ihrer Aktivität eher durch eine Behandlung der Zellen mit Ssi stimuliert, während Ssi keinerlei Einfluss auf die Produktbildung der 15-Lipoxygenase (15-LO) aus Granulozyten hatte. Ssi hemmte die 5-LO in sowohl mit Calcium-Ionophor (A23187) als auch mit LPS/fMLP (physiologischer Stimulus) stimulierten humanen Leukozyten (IC50 8-10μM). Weitere Stimuli der 5-LO-Produktbildung, die zum einen osmotischen Stress der Leukozyten hervorrufen (Natriumchlorid) und zum anderen chemischen Stress der Zellen verursachen (Natriumarsenit) führten nicht zu signifikanten Unterschieden der Inhibitorpotenz von Ssi. Auf Proteinebene konnten mechanistische Studien eine potente Hemmung der 5-LO-Aktivität nach Inkubation mit Ssi und anschliessender Stimulation des humanen, rekombinanten 5-LO-Proteins nachweisen (IC50 = 20μM). Hier zeigte sich wieder die bereits im zellulären System beschrieben Wirkung des aktiven Metaboliten Ssi an 5-LO, Sulindac und Sulindac-Sulfon und auch Indomethacin führten nicht zu einer Inhibition der 5-LO-Produktbildung. In Versuchen, die die subzelluläre Lokalisation des 5-LO-Proteins untersuchen sollten, stellt sich heraus, dass Ssi eine Hemmung der Translokation des 5-LO-Proteins zur Kernmembran vermittelt. Die Schlussfolgerung, dass dies in einer Hemmung des 5-Lipoxygenaseaktivierenden-Proteins (FLAP) durch Ssi begründet liegt, konnte jedoch in einem Kompetitionsassay mit einem bekannten FLAP-Inhibitor (MK-886) nicht bestätigt werden. Weiterhin supprimierte Ssi wirksam die 5-LO-Produktbildung im humanen Vollblutversuch in klinisch relevanten Konzentrationen (IC50 = 18.7μM) unabhängig vom verwendeten Stimulus (A23187 oder LPS/fMLP). Auch in diesem Testsystem erwies sich Ssi als wirksame 5-LO-inhibitorische Substanz während Sulindac und Sulindac sulfone keine suppressive Wirkung auf die 5-LO-Aktivität zeigten. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit, der sich mit der mechanistischen Aufklärung der Hemmung von Ssi an 5-LO befasste, wurde ein Verlust der Inhibitorpotenz in Abhängigkeit von der zellulären Umgebung festgestellt. In intakten Zellen und am Reinenzym erreichte Ssi IC50-Werte von 15-25μM während in Zellhomogenaten und dem 100.000xg Überstand (S100) IC50-Werte von 30-100μM vorlagen. Waren Membranbestandteile im Reaktionsansatz vorhanden, so wie etwa in Zellhomogenaten, verlor Ssi deutlich an inhibitorischer Potenz. Die Vermutung, dass die zelluläre Zusammensetzung einen Einfluss auf den Redoxzustand der 5-LO und somit auch für eine Hemmung verantwortlich ist, konnte nicht bestätigt werden. Zunächst wurden zelluläre Signalwege untersucht, auf die der Arzneistoff Ssi Einfluss haben könnte. Daher wurde ein potentieller Einfluss von Ssi auf die Phospholipase D (PLD) untersucht. Es zeigte sich jedoch keine durch Ssi verursachte Enzymhemmung. Da Calcium ein starker Stimulus für eine Aktivierung des 5-LO-Enzyms darstellt, wurde als nächstes die Freisetzung von Calcium in Leukozyten evaluiert, jedoch zeigte sich hier auch keine Veränderung durch Ssi im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle. Im zellulären Kontext wurde eine Phosphorylierung und nachgeschaltet eine Aktivierung der 5-LO durch die extracellular-regulated-kinase (ERK 1/2), eine Kinase aus der mitogen-activated-protein-kinase (MAPK) Familie, beschrieben. Eine Hemmung von ERK 1/2 durch Ssi wurde im Western Blot-Experiment jedoch nicht beobachtet. Daher fokusierten sich die folgenden Versuche auf Interaktionen von Ssi mit dem aufgereinigtem 5-LO-Enzym. Die Zugabe von aus PMNL gewonnen mikrosomalen Fraktionen, die membranäre Bestandteile in der Zelle immitieren sollten, zu 5-LO-Reinenzym in Gegenwart von Ssi konnte die Enzymaktiviät nahezu wieder auf 100% herstellen. Phospholipide, die ebenfalls Bestandteile von Membranen darstellen, vermitteln die für die 5-LO-Aktivität essentielle Membranbindung durch Interaktion mit der regulatorischen C2-ähnlichen Domäne des Enzyms. Insbesondere Phosphatidylcholin (PC) ist in der Lage, die 5-LO-Aktivität selektiv zu stimulieren und konnte die Ssi-vermittelte 5-LO-Hemmung konzentrationsabhängig aufheben. Andere Phospholipide wie Phosphatidylethanolamin (PE) und Phosphatidylserin (PS) zeigten weder einen stimulatorischen Einfluss auf die rekombinante 5-LO noch ließ sich die durch Ssi hervorgerufene Enzymhemmung aufheben. Um die Interaktion von Ssi mit der C2-ähnlichen Domäne der 5-LO zu verifizieren, wurde eine 5-LO-Proteinmutante generiert, bei der drei Tryptophanreste, die essentiell für die Membranbindung der 5-LO sind, gegen Alanin ausgetauscht wurden. Das mutierte Protein wurde von Ssi nicht beeinflusst und zeigte unverändert katalytische Aktivität. Dies spricht für eine Interaktion von Ssi mit den drei die Membranbindung vermittelnden Tryptophanresten. Ssi ist der erste 5-LO-Inhibitor auf dem Markt, der an der C2-ähnlichen Domäne des 5-LO-Enzyms angreift und stellt daher eine neue Leitstruktur für 5-LOInhibitoren dar, die chemopräventive Eigenschaften und ein verbessertes gastrointestinales Profil besitzen. Es lässt sich feststellen, dass die 5-LO-Hemmung durch Ssi einen neuen molekularen Ausgangspunkt für die Erklärung der COXunabhängigen pharmakologischen Effekten von Ssi in der Therapie bietet. Im dritten Teil der Arbeit wurde ein möglicher Einfluss von Ssi auf die 5-LO Genexpression untersucht. Es konnte im quantitativen PCR Versuch eine Regulation von Ssi auf die 5-LO mRNA-Menge in MM6-Zellen beobachtet werden. Der Effekt trat in differenzierten Monozyten (Differenzierungsdauer 72h mit Calcitriol und transforming-growth-factor-ß (TGF-ß) nach 72h Behandlung mit Ssi auf. Die 5-LO mRNA-Menge wurde in differenzierten MM6-Zellen auf ~20% der Kontrolle herunterreguliert. Da in der Literatur die Beteiligung des Transkriptionsfaktors Sp1 bei der Herabregulation der COX-Genexpression durch NSAR publiziert wurde, lag die Untersuchung der Sp1 Expression nahe. Simultan zur Abnahme der 5-LO mRNA Menge ließ sich eine Abnahme der Sp1 mRNA Menge feststellen. Daher sollte anschließend festgestellt werden, ob sich der durch Ssi-vermittelte Effekt auf die 5-LO-mRNA durch Überexpression von Sp1 supprimieren lässt. In der Reportergenanalyse konnte gezeigt werden, dass Sp1 bei der Ssi-vermittelte Herabregulation der 5-LO mRNA eine Rolle zu spielen scheint, da steigende Mengen an Sp1 den durch Ssi hervorgerufenen Effekt teilweise aufheben konnten. Ein Chromatin-Immunopräzipitationsversuch (ChIP-Versuch) lieferte dann bestätigende Ergebnisse, da in Anwesenheit von Ssi in der höchsten eingesetzten Konzentration von 30μM nahezu keine Bindung mehr von Sp1 an 5-LO detektierbar war. Ssi zeigt offenbar auch auf der Ebene der Genexpression regulatorische Effekte am 5-LO Enzym. Als letztes beschäftigte sich die vorliegende Arbeit mit der Testung von NO-NSAR (NO-Sulindac, NO-Naproxen, NO-Aspirin) im Hinblick auf eine eventuelle 5-LO-Hemmung, da die chemopräventiven Wirkungen dieser Verbindungen möglicherweise auch über eine Hemmung des 5-LO-Proteins erklärbar sind. In intakten Granulozyten zeigten alle Verbindungen effektive Inhibition der LT-Biosynthese wobei NO-Sulindac am potentesten agierte (IC50 ~3μM). Die entsprechenden analogen Verbindungen ohne NO-Gruppe wurden als Kontrollsubstanzen ebenfalls getestet und hatten keinen Einfluss auf die 5-LO-Aktivität. NO-Aspirin hemmte mit einem IC50-Wert von ~30μM. Weiterhin wurde das Verhalten von NO-Asprin in Anwesenheit und Abwesenheit des natürlichen Substrates AA untersucht. Die resultierenden ähnlichen Dosis-Wirkungskurven mit oder ohne AA ließen auf ein nicht-kompetitives Verhalten von NO-Aspirin im zellulären Testsystem schliessen. Versuche mit rekombinantem, aufgereinigtem 5-LO-Enzym ergaben wiederum eine Hemmung der 5-LO-Produktbildung durch alle drei Verbindungen. NO-Sulindac unterdrückte am potentesten die 5-LO-Produktbildung. Daraufhin wurden Tests im humanen Vollblutsystem durchgeführt. Es zeigte sich in diesem Testsystem jedoch eine deutlich schlechtere Inhibition bezüglich der Produktbildung von Leukotrien B4 (LTB4) und 5-Hydroxyeicosatetraensäure (5-HETE) durch NO-NSAR. Es waren höhere Konzentration der Substanzen im Vergleich zu den vorherigen Experimenten nötig (100μM), um mindestens 55% Enzymhemmung hervorzurufen. Die Strategie der 5-LO-Hemmung durch NO-NSAR ist von pharmakologischer Relevanz und es bedarf weiterer Untersuchungen, um den genauen molekularen Mechanismus der Hemmung der 5-LO durch NO-NSAR aufzuklären

5-Lipoxygenase: Underappreciated Role of a Pro-Inflammatory Enzyme in Tumorigenesis

Leukotrienes constitute a group of bioactive lipids generated by the 5-lipoxygenase (5-LO) pathway. An increasing body of evidence supports an acute role for 5-LO products already during the earliest stages of pancreatic, prostate, and colorectal carcinogenesis. Several pieces of experimental data form the basis for this hypothesis and suggest a correlation between 5-LO expression and tumor cell viability. First, several independent studies documented an overexpression of 5-LO in primary tumor cells as well as in established cancer cell lines. Second, addition of 5-LO products to cultured tumor cells also led to increased cell proliferation and activation of anti-apoptotic signaling pathways. 5-LO antisense technology approaches demonstrated impaired tumor cell growth due to reduction of 5-LO expression. Lastly, pharmacological inhibition of 5-LO potently suppressed tumor cell growth by inducing cell cycle arrest and triggering cell death via the intrinsic apoptotic pathway. However, the documented strong cytotoxic off-target effects of 5-LO inhibitors, in combination with the relatively high concentrations of 5-LO products needed to achieve mitogenic effects in cell culture assays, raise concern over the assignment of the cause, and question the relationship between 5-LO products and tumorigenesis