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SummaryPurpose Transforming growth factor-beta (TGF-β) signaling plays a key role in epithelial-mesenchymal transition (EMT) of tumors, including malignant glioma. Small molecule inhibitors (SMI) blocking TGF-β signaling reverse EMT and arrest tumor progression. Several SMIs were developed, but currently only LY2157299 monohydrate (galunisertib) was advanced to clinical investigation. Design The first-in-human dose study had three parts (Part A, dose escalation, n = 39; Part B, safety combination with lomustine, n = 26; Part C, relative bioavailability study, n = 14). Results A preclinical pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) model predicted a therapeutic window up to 300 mg/day and was confirmed in Part A after continuous PK/PD. PK was not affected by co-medications such as enzyme-inducing anti-epileptic drugs or proton pump inhibitors. Changes in pSMAD2 levels in peripheral blood mononuclear cells were associated with exposure indicating target-related pharmacological activity of galunisertib. Twelve (12/79; 15 %) patients with refractory/relapsed malignant glioma had durable stable disease (SD) for 6 or more cycles, partial responses (PR), or complete responses (CR). These patients with clinical benefit had high plasma baseline levels of MDC/CCL22 and low protein expression of pSMAD2 in their tumors. Of the 5 patients with IDH1/2 mutation, 4 patients had a clinical benefit as defined by CR/PR and SD ≥6 cycles. Galunisertib had a favorable toxicity profile and no cardiac adverse events. Conclusion Based on the PK, PD, and biomarker evaluations, the intermittent administration of galunisertib at 300 mg/day is safe for future clinical investigation.

La presente tesis se basa en el subestudio SOFT-EST, que se realizó en el marco de un ensayo clínico fase III adyuvante internacional para pacientes premenopáusicas con cáncer de mama (CM) precoz receptor hormonal positivo (estudio SOFT). En el estudio SOFT las pacientes eran randomizadas a 5 años de tratamiento con tamoxifeno, tamoxifeno + Supresión de la Función Ovárica (SFO); o SFO + exemestano. La SFO podía efectuarse mediante análogos de las gonadotropinas (aGnRH), ooforectomía o irradiación ovárica. Las pacientes debían recibir cirugía adecuada sobre la mama en los 3 meses previos a la randomización en el caso de no que fueran candidatas a quimioterapia (QT) adyuvante según el investigador. En caso de haberse indicado QT, se permitía la inclusión de las pacientes, aun en ausencia de menstruaciones, siempre que se demostraran niveles de estradiol (E2) en el rango de la premenopausia en base al laboratorio local. En pacientes con QT previa se permitía la randomización hasta 8 meses después de haber finalizado ésta, para permitir la recuperación de la función ovárica. El subestudio SOFT-EST se llevó a cabo en un subgrupo de pacientes del estudio SOFT que habían sido randomizadas a SFO, ya fuera con tamoxifeno o triptorelina, y que habían escogido los aGnRH como método de castración. Los objetivos de este primer análisis a 12 meses fueron describir los niveles de E2, estrona (E1),sulfato de estrona (E1S), FSH y LH de forma basal y a los 3, 6 y 12 meses en cada grupo de tratamiento, investigar la posible existencia de un subgrupo de pacientes con supresión estrogénica subóptima en el brazo de exemestano+triptorelina, así como los factores clínicos basales relacionados con el desarrollo de ésta. Se definió como supresión estrogénico subóptima la detección de E2 >2.72 pg/mL en ≥ 1 muestra post-basal. Los estrógenos se midieron centralmente mediante GC-MS/MS debido a su alta sensibilidad y especificidad. En total 116 pacientes (exemestano/tamoxifen=86/30; edad mediana 44 años, mediana de E2: 51, 55% QT previa) iniciaron triptorelina y tuvieron 1 o más muestras analizadas. A pesar de cumplir con los criterios de elegibilidad, se observó que 56% de las pacientes con QT previa presentaban niveles basales de E2 por GC-MSMS compatibles con postmenopausia. En el grupo tratado con exemestano+triptorelina las reducciones medianas de E2, E1 y E1S con respecto a sendos valores basales fueron >95% en todos los puntos de tiempo testados y significativamente mayores a las obtenidas con tamoxifeno+triptorelina. En este mismo brazo de tratamiento 25%, 24% y 17% de las pacientes presentaron niveles de E2 >2.72 pg/mL a los 3, 6 y 12 meses, respectivamente. Los factores basales relacionados con supresión estrogénica subóptima fueron niveles bajos de gonadotropinas (p, This thesis is based on the so-called SOFT-EST sub-study, which was performed in the context of a international phase III clinical trial of adjuvant treatment for premenopausal patients with hormone receptor positive breast cancer, the study SOFT. In the SOFT trial the patients were randomized to 5 years of treatment with tamoxifen, tamoxifen + ovarian function suppression (OFS) or OFS + exemestane. OFS could be obtained by means of GnRH analogs, oophorectomy or ovarian radiation. To be elegible, patients should have received breast surgery in the 3 previous months if adjuvant chemotherapy was not indicated by the investigator. By the contrary, if chemotherapy had been delivered the patients could be randomized, even without presence of menses, provided that estradiol (E2) levels were within the premenopausal range as measured locally. In these patients with prior chemotherapy randomization could be done until 8 months of chemotherapy ending, to allow ovarian recovery. The SOFT-EST sub-study were carried on in a subgroup of patients of SOFT trial that had been randomized to OFS, either with exemestane or tamoxifen, and had chosen GnRH analogs,as castration method. The objectives of this first analysis at 12 months were: to describe E2, estrone (E1),estrone sulphate (E1S), FSH, and LH levels at baseline and at 3. 6 and 12 months in each treatment group, to assess if exists a group suboptimally suppressed with exemestane+triptorelin, and to study the baseline factors associated to this suboptimal suppression. Estrogen suboptimal suppression was defined as E2 levels >2.72 pg/mL in ≥ 1 post-basal sample. Serum estrogens were centrally measured with GC/MS/MS due to its high specificity and sensitivity. One hundred sixteen patients ((exemestane/tamoxifen=86/30; median age 44, median E2: 51, 55% prior chemotherapy) started triptorelin and had ≥ 1 sample drawn. In spite of fulfilling the elegibility criteria, 56% of the patients with prior chemotherapy were found to have central baseline E2 values in the postmenopausal range. With exemestane+triptorelin, median reductions from baseline for E2, E1 and E1S were >95% at all time-points, and significantly greater than with tamoxifen+triptorelin. 25%, 24% and 17% of exemestane+triptorelin treated patients had E2 levels >2.72 pg/mL at 3, 6 and 12 months, respectively. Baseline factors related to suboptimal estrogen suppression were lower FSH and LH (p

Esta tesis doctoral se ha realizado por compendio de publicaciones de dos estudios fase I desarrollados en el servicio de Oncología del Hospital Vall d’Hebron, de la Universitat Autònoma de Barcelona, en Barcelona, España. Los resultados de estos estudios han sido publicados en dos manuscritos originales diferentes en la revista Journal of Clinical Oncology (IF 17,157). El tema objeto de esta tesis doctoral describe un nuevo modelo de desarrollo de nuevos fármacos dirigidos a dianas biológicas en el tratamiento del cáncer. En concreto, los dos estudios describen dos maneras diferentes de inhibir las dos vías de señalización más potentes de proliferación y crecimiento celular que son críticas para la homeostasis de los tumores, la vía de RAS-RAF-MEK-MAPK y la vía de PI3K-Akt-mTOR. El primer manuscrito describe los resultados de un estudio fase I con un inhibidor del enzima farnesiltransferasa, BMS-214662, en pacientes con tumores solidos avanzados. La farnesiltransferasa es un enzima clave en la modificación de la molécula Pro-RAS a la molecula RAS. El estudio no se desarrolla solo como un estudio fase I convencional de escalada de dosis, sino que además contempla una evaluación completa farmacocinética y una serie de estudios farmacodinámicos en tejidos sustitutivos (piel) y en muestras de tumor para poder efectuar una modelización farmacocinética-farmacodinámica. Este enfoque nos permite diseccionar los mecanismos intrínsecos de acción del fármaco con la identificación de la mejor relación entre exposición/efecto farmacodinámico/seguridad en muestras pareadas de piel y de tejido tumoral. Nuestro grupo y otros grupos han demostrado que este modelo es altamente eficaz para desarrollar nuevos fármacos dirigidos a dianas terapéuticas en el campo de la oncología, ya que nos permite definir el mejor esquema y la mejor dosis para continuar el desarrollo del fármaco ya sea como agente único o en combinación con otros fármacos antitumorales. En este caso particular, el mejor esquema para continuar el desarrollo del fármaco es una administración en infusión de 24 horas, con una cadencia semanal a la dosis de 275 mg/m2, y el mecanismo intrínseco de acción antitumoral del fármaco es por inducción de apoptosis. Este compuesto continua desarrollo clínico en síndromes linfo- y mielo-proliferativos. El segundo manuscrito describe un estudio fase I farmacocinético/farmacodinámico con everolimos o RAD001, un inhibidor alostérico de mTOR, en pacientes con tumores solidos avanzados. Everolimus, al igual que otros derivados de la rapamicina, fue inicialmente desarrollado como inmunosupresor en pacientes sometidos trasplantes de órganos. Tras una evaluación preclínica amplia se observó que los derivados de la rapamicina tenían una elevada actividad antitumoral en varios modelos de tumores. Este estudio fase I se desarrolló para determinar el mejor esquema y dosis de este inhibidor oral de mTOR. Se evaluaron dos esquemas terapéuticos, semanal y diario oral continuo. Los resultados farmacocinéticos/farmacodinámicos demostraron de forma inequívoca que la administración diaria continuada producía una inhibición profunda y más sostenida de la señalización mediada por mTOR. La dosis recomendada se estableció en 10 mg al día. Con este esquema y dosis recomendados, everolimus se ha desarrollado de manera satisfactoria en pacientes con cáncer de células renales avanzado, tumores neuroendocrinos pancreáticos, pacientes con esclerosis tuberosa y astrocitomas sub-ependimarios y en pacientes con cáncer de mama refractarias a tratamiento hormonal en combinación con letrozol. Como sumario de los resultados de esta tesis doctoral, el modelo farmacocinético-farmacodinámico de desarrollo de nuevos fármacos en el área de la oncología permite definir de forma más acertada la dosis óptima biológica. Este modelo permite, además, obtener datos muy importantes del mecanismo de acción de los fármacos y de sus acciones biológicas así como obtener información de los potenciales mecanismos de resistencia primaria y adquirida., This doctoral thesis has been written on the basis of two publications of two phase I studies developed at the Medical Oncology Department at the Vall d’Hebron University Hospital, Universitat Autònoma de Barcelona, Barcelona, Spain. The results and the manuscript of these two studies have been published at the Journal of Clinical Oncology (IF 17.157). The research topic of this doctoral thesis relates to the inhibition with two different strategies of two important cell proliferative and growth signal transduction pathways that are critical for the tumor homeostasis, the RAS-RAF-MEK-MAPK pathway and the PI3K-Akt-mTOR pathway. The first manuscript describes a phase I study with a farnesyltransferase inhibitor, BMS-214662, in patients with advanced malignancies. The posttranslational modification of the Pro-RAS molecule requires a series of steps, farnesyltransferase being the first and more critical one. The study is not developed as conventional dose-escalation phase I study, but with a complete pharmacokinetic evaluation and a series of pharmacodynamics studies in surrogate tissues and in tumor biopsies in order to perform pharmacokinetic-pharmacodynamic modeling. This approach gives us the opportunity to dissect the intrinsic mechanisms of action of this compound with the identification of the best exposure/pharmacodynamic effect/safety ratio in paired tumor biopsies as well as in a surrogate tissue –skin-. This model has been demonstrated by us and other authors to be highly effective to develop new targeted agents in the field of oncology, and allows us to define the best dose and schedule for an specific compound to move forward in further development both as a single agent or in combination with other agents. In this particular case we were able to demonstrate that the best schedule for this particular compound was a 24-hour infusion weekly administration at the dose of 275 mg/m2, and the anti-tumoral mechanism of action was related to the induction of apoptosis. This compound is continuing clinical development in hematological malignancies. The second manuscript describes a phase I pharmacokinetic/pharmacodynamics study with the allosteric mTOR inhibitor RAD001 or everolimus in patients with advanced malignancies. Everolimus, as other rapalogs, was initially developed as an immunosuppressant drug for transplant patients. After a series of preclinical models that demonstrated that rapalogs had also a profound anti-tumoral effect, this phase I study was designed to establish the best schedule and dose of this oral compound. We evaluated a weekly schedule and a daily continuous oral schedule. The pharmacodynamics results clearly showed that the daily schedule produced a more profound and sustained inhibition of the downstream signal transduction pathway the recommended dose being established at 10 mg daily. On the basis of the appropriate dose and schedule, everolimus has been successfully developed in patients with advanced renal cell carcinoma, pancreatic neuroendocrine tumors, patients with tuberous sclerosis and sub-ependymal astrocytoma and in patients with advanced hormone-refractory breast cancer in combination with letrozole. As a summary the two manuscripts are an example of a new way to develop targeted agents in oncology by defining the optimal biological dose based in a pharmacokinetic/pharmacodynamic model beside the conventional safety dose-escalation design. This model allows us also to dissect the mechanisms of action of the drugs as well as to study potential mechanisms of primary and secondary resistance to these compounds.

La expresión de HER1 y HER2 (dos miembros de la familia de receptores con actividad quinasa de tirosinas HER) está alterada en diversos tumores de origen epitelial, entre ellos el cáncer de mama donde se correlacionan con un peor pronóstico. Consecuentemente, HER1 y HER2 están siendo exhaustivamente estudiados, tanto desde el punto de vista de la biología del cáncer como desde el punto de vista terapéutico. De hecho, se han desarrollado distintos fármacos dirigidos contra estos receptores, como por ejemplo Iressa, un compuesto sintético de bajo peso molecular que inhibe específicamente la quinasa de tirosinas de HER1. Otro ejemplo es Herceptin, un anticuerpo monoclonal humanizado dirigido contra el ectodominio de HER2.En la primera parte de esta Tesis hemos explorado el espectro de actividad y el potencial terapéutico de Iressa. Para ello hemos investigado los efectos del Iressa sobre un panel de líneas celulares humanas de cáncer de mama, seleccionadas en base a sus niveles de expresión de HER1 y HER2. Como era predecible, nuestros hallazgos mostraron que Iressa inhibe el crecimiento de células con niveles elevados de expresión de HER1. Sin embargo, sorprendentemente, observamos que Iressa también inhibe el crecimiento de células, como las BT-474, que tienen bajos niveles de HER1 pero que sobreexpresan HER2. Además en esta línea celular, Iressa inhibe la activación de las vías de transducción de señal activadas por el EGF (un ligando que se une al EGFR) o la heregulina (un ligando que se une a HER3 y HER4 pero no a HER1 y HER2). Nuestros datos demuestran que Iressa bloquea esta activación mediante un mecanismo doble. Por un lado, Iressa inhibe directamente la quinasa de tirosinas de HER1; por otro, impide la formación de heterodímeros HER2/HER3 mediante el secuestro de los receptores HER2 y HER3 en heterodímeros inactivos HER1/HER2 y HER1/HER3. Conjuntamente, estos hallazgos desvelan un nuevo mecanismo de acción de los inhibidores de la quinasa de HER1 y sugieren que Iressa podría tener utilidad terapéutica para el cáncer de mama no solo en pacientes que presentan niveles elevados de HER1 sino también en pacientes cuyos tumores sobreexpresen HER2.En la segunda parte de esta Tesis hemos profundizado en la biología de los CTFs (Carboxy-Terminal Fragments, Fragmentos Caborxilo-Terminales). Los CTFs son una forma truncada de HER2 que se detecta en el 25% de las muestras de pacientes con cáncer de mama. De acuerdo a su movilidad electroforética, los CTFs contienen el dominio citoplasmático de HER2 incluyendo su dominio tirosina quinasa. Recientemente se ha demostrado que los CTFs correlacionan con metástasis en los ganglios linfáticos y peor pronóstico. A pesar de esto, el mecanismo de generación de estos CTFs y su posible papel en cáncer se desconocía.En este trabajo demostramos que los CTFs se generan mediante inicio alternativo de la traducción a partir de las metioninas 611 y 687 de HER2. Dichas metioninas están situadas justo delante y detrás del dominio transmembrana, respectivamente. Los CTFs están fosforilados y tienen actividad quinasa in vitro. Se localizan en el citoplasma y núcleo de las células que los expresan, tanto en cultivos celulares como en muestras de pacientes con cáncer de mama. Finalmente, mostramos que la inyección subcutánea de células que sobreexpresan los CTFs en ratones atímicos da lugar a tumores que son resistentes al tratamiento con Herceptin, pero que responden a inhibidores de la quinasa de tirosinas de HER2.Dado que un 60% de los pacientes con cáncer de mama que sobreexpresan HER2 (candidatos al tratamiento con Herceptin) sobreexpresan también los CTFs, nuestros resultados sugieren que la sobreexpresión de los CTFs en estos pacientes pueda tener un papel en la resistencia que se desarrolla al tratamiento con Herceptin., The HER1 and HER2 are frequently overexpressed in breast cancer, and their overexpression is associated with a more aggressive clinical behavior. As a consequence, different compounds targeting these receptors have been developed as a fruitful approach to the therapy of breast cancer. One example is Iressa, an oral nonpeptide compound that selectively inhibits the TK activity of HER1; or Herceptin, a monoclonal antibody that targets HER2. To characterize the potential role of Iressa in the treatment of breast cancer, we have studied its effects in a variety of breast carcinoma cell lines expressing different levels of HER1 and HER2 receptors. Our studies demonstrate that Iressa, despite being a specific inhibitor of the EGFR TK, is a potent inhibitor of HER2-over expressing breast cancer cells. We have demonstrated that these effects are explained by a novel and double mechanisms of action. Iressa inhibits the quinase activity of HER1 in one hand and promotes the formation of inactive (unphosphorylated) HER1/HER2 and HER2/ HER3 heterodimers on the other. In the second part of this work we have characterized the CTFs (Carboxi-terminal fragments) of HER2, a truncated form of the HER2 receptor encoding its cytoplasmic domain. CTFs are frequently found in human mammary tumors and associate with nodal metastasis and poor prognosis. However the mechanism of generation is not understood. Here we show that HER2 CTFs are generated by alternative initiation of translation from methionines located near the transmembrana domain of the full-length molecule. In vitro and in vivo, HER2 CTFs are found in the cytoplasm and nucleus. Expression of HER2 CTFs induces the growth of breast cancer xenografts in nude mice. Tumors dependent on CTFs are sensitive to inhibitors of the kinase activity but do not respond to Herceptin. Thus, the kinase domain seems necessary for the activity of HER2 CTFs and the presence of the CTFs could account for the resistance to treatment with Herceptin.