Comprehensive vibrational spectroscopic investigation of trans,trans,trans-[Pt(N3)2(OH)2(py)2], a Pt(IV) diazido anticancer prodrug candidate

We report a detailed study of a promising photoactivatable metal-based anticancer prodrug candidate, trans,trans,trans-[Pt(N3)2(OH)2(py)2] (C1; py = pyridine), using vibrational spectroscopic techniques. Attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR-FTIR), Raman, and synchrotron radiation far-IR (SR-FIR) spectroscopies were applied to obtain highly resolved ligand and Pt-ligand vibrations for C1 and its precursors (trans-[Pt(N3)2(py)2] (C2) and trans-[PtCl2(py)2] (C3)). Distinct IR- and Raman-active vibrational modes were assigned with the aid of density functional theory calculations, and trends in the frequency shifts as a function of changing Pt coordination environment were determined and detailed for the first time. The data provide the ligand and Pt-ligand (azide, hydroxide, pyridine) vibrational signatures for C1 in the mid- and far-IR region, which will provide a basis for the better understanding of the interaction of C1 with biomolecules

Dual-Labelling Strategies for Nuclear and Fluorescence Molecular Imaging: Current Status and Future Perspectives

Molecular imaging offers the possibility to investigate biological and biochemical processes non-invasively and to obtain information on both anatomy and dysfunctions. Based on the data obtained, a fundamental understanding of various disease processes can be derived and treatment strategies can be planned. In this context, methods that combine several modalities in one probe are increasingly being used. Due to the comparably high sensitivity and provided complementary information, the combination of nuclear and optical probes has taken on a special significance. In this review article, dual-labelled systems for bimodal nuclear and optical imaging based on both modular ligands and nanomaterials are discussed. Particular attention is paid to radiometal-labelled molecules for single-photon emission computed tomography (SPECT) and positron emission tomography (PET) and metal complexes combined with fluorescent dyes for optical imaging. The clinical potential of such probes, especially for fluorescence-guided surgery, is assessed

Design und Synthese von mehrfunktionalen Cyclamliganden zur Entwicklung von stabilen radioaktiven Kupferkomplexen für Diagnostik und Therapie

Die Entwicklung von makrocyclischen Chelatoren, die mit Kupferionen thermodynamisch stabile und kinetisch inerte Komplexe bilden, ist in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus der Forschung gerückt. Das ergibt sich insbesondere aus der Möglichkeit, Radiokupfernuklide aufgrund günstiger kernphysikalischer Eigenschaften sowohl für diagnostische (64Cu) als auch therapeutische (67Cu) Anwendungen einzusetzen. Hervorzuheben ist der Azamakrocyclus Cyclam (1,4,8,11-Tetraazacyclodecan), da dieser mit Kupfer(II)-Ionen Komplexe hoher thermodynamischer Stabilität bildet. Zudem weist der Chelator weitere Funktionalisierungsmöglichkeiten auf, um in Hinblick auf eine nuklearmedizinische Anwendung pharmakologisch relevante Moleküle wie beispielsweise Peptide oder Proteine (Antikörper oder Antikörperfragmente) kovalent zu binden und damit eine spezifische Anreicherung im Tumorgewebe zu ermöglichen. Allerdings erfordert das Maßschneidern der Eigenschaften von neuen bifunktionellen Chelatoren Kenntnisse über den Einfluss der Substituten auf die Stabilität der gebildeten Kupfer(II)-Komplexe. Die thermodynamische Stabilität lässt keine Aussagen über das Verhalten in vivo zu. Die Ursache für die kinetische Labilität in Säugetieren ist noch nicht vollständig verstanden, wird aber u. a. auf kupferbindende Enzyme bzw. Proteine zurückgeführt. Die Bioverteilung der Radiokupferkomplexe wird aber auch von weiteren Parameter, wie Hydrophilie, Ladung und Polarisierbarkeit beeinflusst. Mit dieser Arbeit wurde ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung von 64Cu Chelaten auf Basis von Cyclam-Propionsäure-Liganden geleistet. Diese Stoffklasse ist bisher synthetisch wenig erschlossen und Radiokupfer-markierte Komplexe zudem bisher gar nicht beschrieben. Daher ist es von besonderem Interesse die kinetische Stabilität Radiokupfer-markierter Cyclam-Propionsäure-Derivate zu untersuchen und mit einer Reihe bekannter Radiokupfer-markierter Cyclam-Essigsäure-Komplexe zu vergleichen. Es wurden vier N-funktionalisierte Cyclam-Derivate 13, 14b, 15 und 16, die eine unterschiedliche Anzahl an Propionsäuregruppen tragen, erfolgreich synthetisiert und in sehr hoher Reinheit (>99%) isoliert. Besonders hervorzuheben ist die erstmalige Synthese des trans-N,N´´-funktionalisierten Cyclam-Propionsäure-Derivates 14b in hoher Ausbeute (gesamt = 32%). Von den Verbindungen 13, 14b, 15 und 16 sind entsprechende Kupfer(II)-Komplexe hergestellt worden. Zur Aufklärung relevanter Fragestellungen bezüglich der chemischen und geometrischen Eigenschaften sind verschiedene spektroskopische Methoden (Röntgeneinkristallstrukturanalyse, IR, UV/VIS, Elektronenspinresonanz-Spektroskopie) anhand von den isolierten Kupfer(II)-Komplexen CuII-13, CuII-14b und CuII-16 herangezogen worden. Die röntgenkristallografischen Strukturaufklärungen der Komplexe CuII-14b und CuII-16 weisen eine verzerrt quadratisch-pyramidale Koordinationsgeometrie auf. Das Ligandenfeld wird innerhalb der Stickstoffebene mit steigendem Substitutionsgrad schwächer. Das wurde auch durch ESR-Messungen bestätigt. Nachweislich verursachen die zusätzlichen funktionellen Gruppen eine kleinere Ligandenfeldaufspaltung. Weiterhin nahm die kinetische Stabilität unter stark sauren Bedingungen mit steigendem Substitutionsgrad ab. Der Vergleich mit den bekannten oktaedrischen Kupfer(II)-Cyclam-Essigsäure-Komplexen zeigt, dass die quadratisch-pyramidalen Kupfer(II)-Cyclam-Propionsäure-Derivate unter stark sauren Bedingungen schneller dissoziieren. Als Ursache können die unterschiedlichen Konfigurationen diskutiert werden, da bei 4N+2-Geometrien die thermodynamisch bevorzugte trans III-Konfigurationen gebildet wird. Radiochemische Untersuchungen zur Bewertung der kinetischen Stabilität in vitro und in vivo sind mit den 64Cu-markierten Liganden 13, 14b, 15 und 16 durchgeführt worden. Hierfür ist ein In-vitro-Stabilitätstest basierend auf dem kupferbindenden Enzym Superoxid-Dismutase (SOD) bzw. humanem Serum für radiomarkierte Verbindungen entwickelt worden. In humanem Serum ist Albumin (~66 kDa) in sehr hoher Konzentration enthalten und eines der wichtigsten Transportproteine für extrazelluläre Kupfer-Ionen. Aufgrund seiner Abundanz im Blutplasma ist im Serum-Assay jeweils nur eine stark ausgeprägte Bande bei ca. 66 kDa detektiert worden. Dieser etablierte In-vitro-Stabilitätstest beruht im Gegensatz zu anderen herkömmlichen Analysemethoden (Radio-HPLC oder Radio-DC) auf dem Prinzip der Gelelektrophorese. Von großem Vorteil ist, dass mehrere Proben simultan untersucht werden können und die Ergebnisse zuverlässig und reproduzierbar sind. Die In-vitro-Ergebnisse zeigen einen ähnlichen Trend wie bei der säure-assoziierten Dissoziation, wobei die höchste Stabilität bemerkenswerterweise bei dem [64Cu]Cu-14b Komplex bestimmt wurde. Allerdings beruht der Mechanismus hier nicht auf einer Dissoziation sondern auf einer Transchelatisierung. Die Ergebnisse der Bioverteilungen in Wistar-Ratten korrelieren mit den In-vitro-Studien in humanem Serum. Der Komplex [64Cu]Cu 14b zeigte sowohl eine schnelle renale Blut-Clearence als auch eine sehr geringe Anreicherung in der Leber und stellt damit eine Alternative zu den kommerziell erwerblichen Liganden dar. Als geeignete Chelatoren bieten Cyclam-Monopropionsäure 13 und Cyclam-Dipropionsäure 14b die Möglichkeit, Radiokupfernuklide stabil zu binden und erlauben die mehrfache Einführung von EGFR-spezifischen Peptiden an das Grundgerüst. Als Grundgerüst wurde der Ligand 13 ausgewählt. Durch die Multifunktionalisierung sollen höhere Affinitäten zum Rezeptor und verbesserte metabolische Stabilitäten hervorgerufen werden. Für diese Verbindung liegen erste vielversprechende Ergebnisse vor, wobei hohe Affinitäten zu zwei EGFR-positiven Zelllinien bestimmt wurden

Switching on Cytotoxicity of Water-Soluble Diiron Organometallics by UV Irradiation

: The diiron compounds [Fe2Cp2(CO)2(μ-CO)(μ-CSEt)]CF3SO3, [1]CF3SO3, K[Fe2Cp2(CO)3(CNCH2CO2)], K[2], [Fe2Cp2(CO)2(μ-CO)(μ-CNMe2)]NO3, [3]NO3, [Fe2Cp2(CO)2(PTA){μ-CNMe(Xyl)}]CF3SO3, [4]CF3SO3, and [Fe2Cp2(CO)(μ-CO){μ-η:1η3-C(4-C6H4CO2H)CHCNMe2}]CF3SO3, [5]CF3SO3, containing a bridging carbyne, isocyanoacetate, or vinyliminium ligand, were investigated for their photoinduced cytotoxicity. Specifically, the novel water-soluble compounds K[2], [3]NO3, and [4]CF3SO3 were synthesized and characterized by elemental analysis and IR and multinuclear NMR spectroscopy. Stereochemical aspects concerning [4]CF3SO3 were elucidated by 1H NOESY NMR and single-crystal X-ray diffraction. Cell proliferation studies on human skin cancer (A431) and nontumoral embryonic kidney (HEK293) cells, with and without a 10-min exposure to low-power UV light (350 nm), highlighted the performance of the aminocarbyne [3]NO3, nicknamed NIRAC (Nitrate-Iron-Aminocarbyne), which is substantially nontoxic in the dark but shows a marked photoinduced cytotoxicity. Spectroscopic (IR, UV-vis, NMR) measurements and the myoglobin assay indicated that the release of one carbon monoxide ligand represents the first step of the photoactivation process of NIRAC, followed by an extensive disassembly of the organometallic scaffold

Data publication: Switching on Cytotoxicity of Water-Soluble Diiron Organometallics by UV Irradiation

decarbonylation studies By IR, NMR, UV/vis myoglobin assay cell proliferation assay cristallographic data available by collaboration partne

Studies of Carbon Monoxide Release from Ruthenium(II) Bipyridine Carbonyl Complexes upon UV-Light Exposure

The UV-light-induced CO release characteristics of a series of ruthenium­(II) carbonyl complexes of the form <i>trans</i>-Cl­[RuLCl₂(CO)₂] (L = 4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridine, 4′-methyl-2,2′-bipyridine-4-carboxylic acid, or 2,2′-bipyridine-4,4′-dicarboxylic acid) have been elucidated using a combination of UV–vis absorbance and Fourier transform infrared spectroscopies, multivariate curve resolution alternating least-squares analysis, and density functional theory calculations. In acetonitrile, photolysis appears to proceed via a serial three-step mechanism involving the sequential formation of [RuL­(CO)­(CH₃CN)­Cl₂], [RuL­(CH₃CN)₂Cl₂], and [RuL­(CH₃CN)₃Cl]⁺. Release of the first CO molecule occurs quickly (<i>k</i>₁ ≫ 3 min^–1), while release of the second CO molecule proceeds at a much more modest rate (<i>k</i>₂ = 0.099–0.17 min^–1) and is slowed by the presence of electron-withdrawing carboxyl substituents on the bipyridine ligand. In aqueous media (1% dimethyl sulfoxide in H₂O), the two photodecarbonylation steps proceed much more slowly (<i>k</i>₁ = 0.46–1.3 min^–1 and <i>k</i>₂ = 0.026–0.035 min^–1, respectively) and the influence of the carboxyl groups is less pronounced. These results have implications for the design of new light-responsive CO-releasing molecules (“photoCORMs”) intended for future medical use

Light‐activated carbon monoxide prodrugs based on bipyridyl dicarbonyl ruthenium(II) complexes

Two photoactivatable dicarbonyl ruthenium(II) complexes based on an amide‐functionalised bipyridine scaffold (4‐position) equipped with an alkyne functionality or a green‐fluorescent BODIPY (boron‐dipyrromethene) dye have been prepared and used to investigate their light‐induced decarbonylation. UV/Vis, FTIR and 13C NMR spectroscopies as well as gas chromatography and multivariate curve resolution alternating least‐squares analysis (MCR‐ALS) were used to elucidate the mechanism of the decarbonylation process. Release of the first CO molecule occurs very quickly, while release of the second CO molecule proceeds more slowly. In vitro studies using two cell lines A431 (human squamous carcinoma) and HEK293 (human embryonic kidney cells) have been carried out in order to characterise the anti‐proliferative and anti‐apoptotic activities. The BODIPY‐labelled compound allows for monitoring the cellular uptake, showing fast internalisation kinetics and accumulation at the endoplasmic reticulum and mitochondria

Bispidine Dioxotetraaza Macrocycles: A New Class of Bispidines for ⁶⁴Cu PET Imaging

The three new dioxo-tetraazamacrocyclic ligands with a fused, very rigid bispidine (3,7-diazabicyclo[3.3.1]­nonane) group connecting the two tertiary amine donors, and ethyl, propyl, or benzene groups connecting the two amide donors are highly preorganized and lead to very stable, uncharged Cu^II complexes. Solution spectroscopy and solid state structures indicate that these are square pyramidal with a solvent molecule occupying the apical position. Cyclic voltammetry defines a reversible Cu^III/II couple and a strongly negative irreversible Cu^II/I couple (ca. −2 V vs Fc/Fc⁺), indicating that the Cu^II complexes are very stable in solution. This is supported by superoxide dismutase (SOD) and human serum challenge experiments as well as the biodistribution, which all show that the benzene-based ligand has the highest <i>in vitro</i> and <i>in vivo</i> stability and that this was expected on the basis of the macrocycle ring size and shape and the highest degree of preorganization. This ligand is easy to functionalize for a possible coupling to biological vector molecules and/or fluorescence markers for PET (positron emission tomography) and multimodal imaging (i.e., PET and optical imaging)

Methods gold standard in clinic millifluidics multiplexed extended gate field-effect transistor biosensor with gold nanoantennae as signal amplifiers /

We present a portable multiplexed biosensor platform based on the extended gate field-effect transistor and demonstrate its amplified response thanks to gold nanoparticle-based bioconjugates introduced as a part of the immunoassay. The platform comprises a disposable chip hosting an array of 32 extended gate electrodes, a readout module based on a single transistor operating in constant charge mode, and a multiplexer to scan sensing electrodes one-by-one. Although employing only off-the-shelf electronic components, our platform achieves sensitivities comparable to fully customized nanofabricated potentiometric sensors. In particular, it reaches a detection limit of 0.2 fM for the pure molecular assay when sensing horseradish peroxidase-linked secondary antibody (∼0.4 nM reached by standard microplate methods). Furthermore, with the gold nanoparticle bioconjugation format, we demonstrate ca. 5-fold amplification of the potentiometric response compared to a pure molecular assay, at the detection limit of 13.3 fM. Finally, we elaborate on the mechanism of this amplification and propose that nanoparticle-mediated disruption of the diffusion barrier layer is the main contributor to the potentiometric signal enhancement. These results show the great potential of our portable, sensitive, and cost-efficient biosensor for multidimensional diagnostics in the clinical and laboratory settings, including e.g., serological tests or pathogen screening