Melanie Adler

• The high failure rate of new drug candidates in preclinical or clinical studies due to hepatotoxicity represents a considerable problem in the drug development. Hence, there is an urgent need to develop new approaches for early and reliable prediction of drug-induced hepatotoxicity that enables a better identification of drug candidates with high potential for toxicity at early stages of drug development. Therefore, the aim of this work was to improve the prediction of drug-induced liver injury in preclinical studies through evaluation of moreThe high failure rate of new drug candidates in preclinical or clinical studies due to hepatotoxicity represents a considerable problem in the drug development. Hence, there is an urgent need to develop new approaches for early and reliable prediction of drug-induced hepatotoxicity that enables a better identification of drug candidates with high potential for toxicity at early stages of drug development. Therefore, the aim of this work was to improve the prediction of drug-induced liver injury in preclinical studies through evaluation of more reliable and sensitive biomarkers of hepatotoxicity and a better understanding of the underlying mechanistic basis for drug-induced toxicity. First, the ability of a set of potential markers (NGAL, thiostatin, clusterin, PON1) to detect early signs of liver injury was assessed in rats treated with drug candidates that were dropped from further development, in part due to toxic adverse effects in the liver. In summary, PON1 and clusterin were not consistently altered in response to liver injury and thus provide no additive information to the traditional liver enzymes in detecting drug-induced hepatotoxicity. In contrast, thiostatin and NGAL were increased in serum and urine of treated animals in a time- and dose-dependent manner. These changes correlated well with mRNA expression in the target organ and generally reflected the onset and degree of drug-induced liver injury. Receiver-operating characteristics analyses supported serum thiostatin, but not NGAL, as a better indicator of drug-induced hepatobiliary injury than conventional clinical chemistry parameters, such as ALP, ALT and AST. Although thiostatin, an acute phase protein expressed in a range of tissues, may not be specific for liver injury, our results indicate that thiostatin may serve as a sensitive, minimally-invasive diagnostic marker of inflammation and tissue damage in preclinical safety assessment. In the second part of this work, combined application of genomics profiling technology and RNAi to inhibit the pharmacological target of a drug candidate BAY16, a glucagon receptor (GCGR) antagonist, was used to determine if interference with the pharmacological target plays a role in the toxic response to BAY16, and to narrow down those molecular changes that are associated with toxicity, and not the pharmacological action of BAY16. In contrast to Bay 16, which was found to be cytotoxic at concentrations of 75 µM, silencing of the glucagon receptor did not affect cell viability in primary rat hepatocytes. Thus, it can be concluded that hepatotoxicity of Bay 16 was not related to the drugs inhibitory effect on the glucagon receptor in vitro and in vivo. These findings were supported by the fact that most of BAY16-induced changes in gene expression occurred independently of the pharmacological modulation of GCGR. These off-target effects include altered xenobiotic metabolism, oxidative stress, increased fatty acid synthesis, and alterations in cholesterol and bile acid metabolic processes. Although it was not possible to draw a final conclusion about the mechanism of BAY16 hepatotoxicity, changes in these molecular mechanisms appear contribute to progression of hepatic injury. With regard to drug safety assessment in preclinical studies, the utilization of siRNA technology in vitro represents a new approach to improve mechanistic understanding of the nature of drug’s toxicity, being either chemically mediated or due to primary or secondary pharmacological mode of action.…
• Das häufige Scheitern neuer Arzneistoffkandidaten aufgrund von Lebertoxizität in präklinischen und klinischen Studien stellt ein erhebliches Problem in der Entwicklung von neuen Arzneimitteln dar. Deshalb ist es wichtig, neue Ansätze zu entwickeln, mit deren Hilfe unerwünschte Wirkungen von Arzneimitteln früher und zuverlässiger erkannt werden können. Um die Vorhersage von Lebertoxizität in präklinischen Studien zu verbessern, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei wesentliche Ansätze gewählt: 1) die Evaluierung neuer Biomarker, durch dieDas häufige Scheitern neuer Arzneistoffkandidaten aufgrund von Lebertoxizität in präklinischen und klinischen Studien stellt ein erhebliches Problem in der Entwicklung von neuen Arzneimitteln dar. Deshalb ist es wichtig, neue Ansätze zu entwickeln, mit deren Hilfe unerwünschte Wirkungen von Arzneimitteln früher und zuverlässiger erkannt werden können. Um die Vorhersage von Lebertoxizität in präklinischen Studien zu verbessern, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei wesentliche Ansätze gewählt: 1) die Evaluierung neuer Biomarker, durch die Lebertoxizität zuverlässiger und empfindlicher detektiert werden könnte und 2.) wirkmechanistische Untersuchungen mittels Toxcicogenomics für ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen der Arzneimittel-induzierten Toxizität. Ein Ziel dieser Arbeit war, die Fähigkeit einiger neuer potenzieller Biomarker (NGAL, Thiostatin, Clusterin und PON1) zu bewerten, Arzmeimittel-induzierte Lebertoxizität in Ratten frühzeitig zu erkennen. Die Ergebnisse zeigen, dass PON1 und Clusterin infolge eines durch die verabreichten Arzneistoffkandidaten verursachten Leberschadens nicht konsistent verändert waren. Diese beiden Marker sind daher, verglichen mit bestehenden klinisch-chemischen Markern, nicht für eine sichere Vorhersage von Arzneistoff-induzierten Leberschäden geeignet. Bei Thiostatin und NGAL zeigte sich hingegen ein zeit- und dosisabhängiger Anstieg im Serum und Urin behandelter Tiere. Diese Veränderungen, die gut mit der mRNA Expression im Zielorgan übereinstimmten, korrelierten mit dem Schweregrad der Arzneistoff-induzierten Leberschäden. Die Analyse mittels ROC zeigte, Thiostatin im Serum, nicht aber NGAL, ein besserer Indikator für Arzneimittel-induzierte hepatobiliäre Schäden ist als die routinemäßig verwendeten klinische-chemischen Marker, wie z.B. die Leberenzyme ALP, ALT und AST. Thiostatin wird jedoch als Akute-Phase-Protein in einer Vielzahl von Geweben exprimiert und kann somit nicht spezifisch als Lebermarker betrachtet werden. Dennoch zeigen unsere Ergebnisse, dass Thiostatin als sensitiver, minimal-invasiver diagnostischer Marker für Entzündungsprozesse und Gewebeschäden eine sinnvolle Ergänzung in der präklinischen Testung auf Lebertoxizität darstellt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde mittels RNA-Interferenz das pharmakologische Target des Arzneistoffkandidaten BAY16, der Glukagonrezeptor, auf mRNA-Ebene gehemmt und anhand von Genexpressionsanalysen untersucht, ob die pharmakologisch-bedingte Modulation des Glukagonrezeptors eine Rolle in der Toxizität von BAY16 spielt. Desweiteren sollten diese Arbeiten Aufschluss geben, welche molekularen Veränderungen auf die pharmakologische Wirkung des Arzneistoffs zurückzuführen sind, und daher für den Mechanismus der Toxizität möglicherweise wenig relevant sind. Während BAY16 in Konzentrationen von 75 µM starke zytotoxische Wirkungen aufwies, hatte die siRNA vermittelte Depletion des Glukagonrezeptors keinen Einfluss auf die Vitalität primärer Rattenhepatozyten. Daraus lässt sich ableiten, dass die Hepatotoxiziät von BAY16 in vitro und in vivo nicht mit der pharmakologischen Modulation des Glukagonrezeptors assoziiert ist. Diese Ergebnisse wurden durch die Tatsache gestützt, dass die meisten der durch BAY16 induzierten Genexpressionsveränderungen unabhängig von der pharmakologischen Modulation des Glucagonrezeptors auftraten. Diese beobachteten off-target-Effekte beinhalteten Veränderungen im Fremdstoffmetabolismus, oxidativer Stress, erhöhte Fettsäuresynthese und Veränderungen im Cholesterol- und Gallensäuremetabolismus. Obwohl Veränderungen in diesen molekularen Mechanismen zum Fortschreiten eines Leberschadens beitragen können, ist es anhand dieser Daten nicht möglich einen eindeutigen Mechanismus für die Toxizität von BAY16 abzuleiten. In dieser Arbeit konnte jedoch gezeigt werden, dass die Anwendung der siRNA-Technologie einen neuen methodischen Ansatz darstellt, um Mechanismen arzneimittelbedingter Toxizität besser verstehen zu können.…