Investigating the Binding Energy between Folic acid Receptor α and Functionalized Polymeric Drug Carrier and the use of Encapsulated Indium-Oxine for early diagnosis of Pancreatic Cancer

Abstract

Pancreatic cancer is often referred to as the hardest cancer to diagnose due to its symptomless behaviour until the later stages. Patients are often diagnosed as stage 3, 4 or terminal by the time symptoms are detected. Thus, the 5-year survival rate is one of the lowest out of various cancers. The biggest challenge in treating and detecting cancer is the ability of the drug or the marker to specifically target the tumour cells without affecting the normal healthy cells. Interestingly, it has been found that pancreatic cancer overexpresses folic acid receptor alpha, FRα. This overexpression becomes a valuable target for targeted therapy. Folic acid (FA) can be conjugated with an amphiphilic polymer, poly (styrene-maleic acid), PSMA, using a linker, 2,4-diaminobutyric acid (DABA) to target preferentially cancer cells for detection or treatment. Previous in vitro studies have found significant decrease in the cancer cell viability when empty FA-DABA-PSMA was used. A main cause of this finding could be due to strong interaction between the FRα and FA-DABA-PSMA, where it may exert a significant increase in the binding energy, prohibiting the release of FRα and FA-DABA-PSMA and preventing the reuse of FA and FRα in metabolic preprocessed. When this phenomenon occurs, the cell produces more FRα on its surface, as the signaling loop will indicate that more FRα is needed on the surface of the cells to support its growth.

To determine the binding energy between FRα and FA-DABA-PSMA, computational studies using a quantum theoretical model were performed between FA with FRα and between FA-DABA-PSMA with FRα. The calculation was performed using ONIOM method. The results were compared between the FA and FA-DABA-PSMA along with experimental results obtained through microscale thermophoresis (MST). The comparison of results indicates that the FA-DABA-PSMA is unable to be released from the FRα despite a decrease in pH due to multiple hydrogen bonding between the maleic acid of the PSMA and hydrophilic amino acids at the surface of the receptor.

Next, the potential application of FA-DABA-PSMA as direct targeting radiopharmaceuticals for early diagnosis of tumours with FRα overexpression was investigated. To label the polymer, Indium 8-hydroxyquinoline (In-Oxine) was selected due to its hydrophobicity and suitability of 111Indium as a gamma emitter. To determine the encapsulation of In-Oxine, fluorescence spectroscopy and neutron activation analysis (NAA) was conducted using non-radioactive In-Oxine. Thin layer chromatography (TLC) experiments were conducted using radioactive 111In-Oxine to simulate an in vivo experiment. Three characterizations revealed the capability of FA-DABA-PSMA to encapsulate In-Oxine in its hydrophobic core.

Le cancer du pancréas est souvent considéré comme le cancer le plus difficile à diagnostiquer en raison de son absence de symptômes jusqu'aux stades avancés. Les patients sont souvent diagnostiqués aux stades 3, 4 ou terminale lorsque les symptômes sont détectés. Ainsi, le taux de survie à cinq ans est l'un des plus bas parmi les divers types de cancers. Le plus grand défi dans le traitement et la détection du cancer est la capacité du médicament ou du marqueur à cibler spécifiquement les cellules tumorales sans affecter les cellules saines normales. Fait intéressant, il a été constaté que le cancer du pancréas surexprime le récepteur de l'acide folique alpha, FRα. Cette surexpression devient une cible précieuse pour la thérapie ciblée. L’acide folique (AF) peut être conjugué à un polymère amphiphile, le poly(styrène-acide maléique) (PSMA), à l’aide d’un lien, l’acide 2,4-diaminobutyrique (DABA), pour cibler préférentiellement les cellules cancéreuses en vue de leur détection ou traitement. Des études in vitro antérieures ont révélé une diminution significative de la viabilité des cellules cancéreuses lorsque le FA-DABA-PSMA vide était utilisé. Une cause principale de cette constatation pourrait être due à l’interaction forte entre le FRα et le FA-DABA-PSMA, où cela pourrait entraîner une augmentation significative de l’énergie de liaison, empêchant la libération du FRα et du FA-DABA-PSMA, et empêchant ainsi la réutilisation de l'AF et du FRα dans le métabolisme prétraité. Lorsque ce phénomène se produit, la cellule produit davantage de FRα à sa surface, car la boucle de signalisation indiquera qu'il faut plus de FRα à la surface des cellules pour soutenir sa croissance.

Pour déterminer l'énergie de liaison entre FRα et FA-DABA-PSMA, des études computationnelles utilisant un modèle théorique quantique ont été réalisées entre FA et FRα et entre FA-DABA-PSMA et FRα. Le calcul a été effectué en utilisant la méthode ONIOM. Les résultats ont été comparés entre le FA et le FA-DABA-PSMA, ainsi qu'avec les résultats expérimentaux obtenus par thermophoresis à l’échelle microscopique (MST). La comparaison des résultats indique que le FA-DABA-PSMA ne peut pas être libéré du FRα malgré une diminution du pH, en raison de multiples liaisons hydrogène entre l’acide maléique du PSMA et les acides aminés hydrophiles à la surface du récepteur.

Ensuite, l’application potentielle du FA-DABA-PSMA en tant que radiopharmaceutiques de ciblage direct pour le diagnostic précoce des tumeurs avec surexpression de FRα a été explorée. Pour marquer le polymère, l'indium 8-hydroxyquinoline (In-Oxine) a été sélectionné en raison de son hydrophobicité et de la convenance de l’indium-111 en tant qu’émetteur gamma. Pour déterminer l'encapsulation de l’In-Oxine, des analyses de spectroscopie de fluorescence et d'activation neutronique (NAA) ont été réalisées en utilisant de l'In-Oxine non radioactif. Des expériences de chromatographie sur couche mince (TLC) ont été menées avec de l'In-Oxine radioactif 111In pour simuler une expérience in vivo. Trois caractérisations ont révélé la capacité du FA-DABA-PSMA à encapsuler l’In-Oxine dans son noyau hydrophobe.