Projektowanie i synteza nowych analogów tiosemikarbazonów jako potencjalnych farmaceutyków

Celem niniejszej pracy było projektowanie oraz synteza nowych tiosemikarbazonów o potencjalnych właściwościach przeciwnowotworowych, przeciwbakteryjnych i przeciwgrzybicznych. Jako podstawy projektowania wykorzystano metody podobieństwa liganda, a w szczególności techniki struktur uprzywilejowanych (PS) - jako PS traktowano m.in. piperazynę. Na drodze kondensacji podstawionych tiosemikarbazydów z aldehydami lub ketonami w środowisku kwaśnym, otrzymano 102 związki oparte m.in. na aldehydzie 5-bromosalicylowym, aldehydzie salicylowym, 2-chinolinokarbaldehydzie, 2-chlorotioksantonie, 2,5-difluorobenzaldehydzie, 2,6-difluorobenzaldehydzie, 4-hydroksy-3-metoksybenzaldehydzie, 2-nitrobenzaldehydzie i 2-pirydynokarbaldehydzie. W szczególności przeanalizowano struktury oparte na 3-aminopirydyno-2-karbaldehydzie, który jest podstawowym blokiem budulcowym wykorzystywanym w syntezie Triapiny. Ponieważ jednak w literaturze panuje przekonanie, że aktywność TSCs związana jest z ich lipofilowością zaprojektowano nowe pochodne, charakteryzujące się obecnością rozbudowanych podstawników aromatycznych. Związki takie syntezowano w poszukiwaniu cech charakterystycznych dla wysokiej aktywności przeciwnowotworowej. Wszystkie zaprojektowane i zsyntezowane TSCs zostały przebadane pod kątem ich aktywności przeciwnowotworowej - 26 wykazuje znaczną, a 26 umiarkowaną aktywność cytotoksyczną wobec badanych linii komórkowych nowotworu jelita grubego HCT116 p53+/+ i HCT116 p53-/-, linii komórkowych nowotworów mózgu U-251 i Hs683 oraz linii komórkowej nowotworu piersi MCF-7. Badania kompleksowania TSCs potwierdziły, że wybrane ligandy mogą działać jako skuteczne chelatory miedzi i żelaza, co często w literaturze wiązane jest z aktywnością tej klasy związków. Analiza aktywności poszczególnych zsyntezowanych związków pozwoliła określić relację miedzy budową, a aktywnością otrzymanych TSCs. Tiosemikarbazony w których strukturach znajdują się dodatkowe atomy azotu w pierścieniach aromatycznych cechują się wyższą aktywnością zarówno przeciwnowotworową jak i przeciwbakteryjną oraz przeciwgrzybiczą, natomiast wprowadzenie pierścienia piperazyny powoduje wzrost aktywności przeciwnowotworowej analogów Triapiny w porównaniu do niej samej. Otrzymane wyniki potwierdzają wielokierunkowe działanie cytotoksyczne zsyntezowanych tiosemikarbazonów oraz ukazują jak zmiana podstawników w strukturze TSCs może drastycznie wpłynąć na aktywność tej klasy związków. Metoda kondensacji tiosemikarbazydów z aldehydami jest wygodną metodą syntetyczną pozwalającą otrzymać wiele nowych interesujących tiosemikarbazonów oraz dowolnie modyfikować ich strukturę

The role of oxidative stress in activity of anticancer thiosemicarbazones

Thiosemicarbazones are chelators of transition metals such as iron or copper whose anticancer potency is intensively investigated. Although two compounds from this class have entered clinical trials, their precise mechanism of action is still unknown. Recent studies have suggested the mobilization of the iron ions from a cell, as well as the inhibition of ribonucleotide reductase, and the formation of reactive oxygen species. The complexity and vague nature of this mechanism not only impedes a more rational design of novel compounds, but also the further development of those that are highly active that are already in the preclinical phase. In the current work, a series of highly active thiosemicarbazones was studied for their antiproliferative activity in vitro. Our experiments indicate that these complexes have ionophoric properties and redox activity. They appeared to be very effective generating reactive oxygen species and deregulating the antioxidative potential of a cell. Moreover, the genes that are responsible for antioxidant capacity were considerably deregulated, which led to the induction of apoptosis and cell cycle arrest. On the other hand, good intercalating properties of the studied compounds may explain their ability to cleave DNA strands and to also poison related enzymes through the formation of reactive oxygen species. These findings may help to explain the particularly high selectivity that they have over normal cells, which generally have a stronger redox equilibrium

Piperazinyl fragment improves anticancer activity of Triapine - Fig 3

<p>(a) Absorption spectrophotometric titration vs. pH of the free L² ligand; (b) electronic spectra of the protonated species of L²; (c) concentration distribution curves for the L² species. (I = 0.1 M (KCl) in 80% (w/w) MeOH/H₂O; T = 25.0°C; [L²] = 5x10^-5M; pH 1.6–11.02).</p

Piperazinyl fragment improves anticancer activity of Triapine

<div><p>A new class of TSCs containing piperazine (piperazinylogs) of Triapine, was designed to fulfill the di-substitution pattern at the TSCs N4 position, which is a crucial prerequisite for the high activity of the previously obtained TSC compounds–DpC and Dp44mT. We tested the important physicochemical characteristics of the novel compounds L¹-L¹². The studied ligands are neutral at physiological pH, which allows them to permeate cell membranes and bind cellular Fe pools more readily than less lipid-soluble ligands, e.g. DFO. The selectivity and anti-cancer activity of the novel TSCs were examined in a variety of cancer cell types. In general, the novel compounds demonstrated the greatest promise as anti-cancer agents with both a potent and selective anti-proliferative activity. We investigated the mechanism of action more deeply, and revealed that studied compounds inhibit the cell cycle (G1/S phase). Additionally we detected apoptosis, which is dependent on cell line’s specific genetic profile. Accordingly, structure-activity relationship studies suggest that the combination of the piperazine ring with Triapine allows potent and selective anticancer chelators that warrant further <i>in vivo</i> examination to be identified. Significantly, this study proved the importance of the di-substitution pattern of the amine N4 function.</p></div

Design strategy for novel TSCs (L¹-L¹²).

<p>All designed ligands are based on the Triapine skeleton, which is present in the active analogs Dp44mT, DpC and 1b, 1d that have been described as highly active analogs [<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0188767#pone.0188767.ref021" target="_blank">21</a>].</p

Electronic absorption spectra of the Cu(II) and Fe(III)-L²; L⁴; L⁸ system recorded at various metal to ligand ratios.

<p>I = 0.1 M (KCl) in 80% (w/w) MeOH/H₂O; T = 25.0°C; [L] = 5x10^-5M.</p

Anti-proliferative activity (IC₅₀ values) of the novel Triapine analogs compared to Triapine in several tumor cell-types and normal human dermal fibroblast (NHDF) cells.

<p>Individual IC50 values IC50 < 1μM, IC50 1–10 μM, IC50 > 10 μM are coded by red, yellow and grey, respectively.</p

Evaluation of the induction of apoptosis in the HCT116 p53^+/+, U-251 and MCF-7 cells 48 h after treatment with L⁹.

<p>The histograms show the percentage of early and late apoptosis for one of three independent experiments (<b>A</b>). The table shows the mean ± SD percentage of live, early and late apoptotic cells from three independent experiments (<b>B</b>). Data were analyzed using one-way ANOVA with Bonferroni’s post-hoc test: *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001 compared to the control (<b>C</b>).</p

Protonation constants (log<i>β</i> ^H) of the L¹-L¹² ligands in the MeOH/H₂O mixed solution^a.

<p>Protonation constants (log<i>β</i> ^H) of the L¹-L¹² ligands in the MeOH/H₂O mixed solution<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0188767#t001fn001" target="_blank">^a</a>.</p