Development of natural product-derived anti-tumoural metal complexes

Titelangaben

Schleser, Sebastian W.:
Development of natural product-derived anti-tumoural metal complexes.
Bayreuth , 2023 . - VII, 178, X S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006972

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Abstract

The world is facing the late phase of an epidemiological transition, with cancer becoming the leading cause of death in the developed world for people under 70 years of age. Yet, as variable and unique as cancer may be, so are its treatment options. While its treatment is increasingly shifting towards personalised therapy using immuno-oncology, chemotherapy is still the method of choice, especially for advanced stages of cancer. The three most common chemotherapeutic agents are cisplatin (1), carboplatin (7) or oxalipatin (8), which are used in over 50% of all chemotherapies. Existing or developing resistances against these cytostatic drugs can, however, reduce their rate of successful applications. In addition, their sometimes severe side effects can significantly impact the patient’s quality of life.
Consequently, a search for alternatives in cancer treatment began, quickly expanding to include other transition or noble metals for developing chemotherapeutic drugs. Compared to organic compounds, metal complexes generally have the advantage of unique geometries to fit into the targets’ binding pockets. Furthermore, a charge can easily be introduced into metal complexes, significantly affecting their pharmacokinetics. Hence, mechanisms of action can be achieved other than binding to the DNA, as in the case of the mainstay platinum complexes. Among others, gold complexes such as auranofin (29) have proven to be particularly effective in inducing cancer cell apoptosis via mitochondrial pathways. In addition to the central atom, the ligands play the main role in unfolding anti-tumoural effects. N-heterocyclic carbenes (NHC) have proven to be extraordinarily versatile and potent. Thus, by appropriate design, target-specific or pleiotropic chemotherapeutics can be generated.
Improving the effects of an already active substance by combining it with a central metal to design compounds with specific mechanisms of action can create metal complexes with reduced adverse side effects or enhanced anti-tumoural activity. Therefore, insight into these complexes' mechanisms of action is of great interest. In addition to in vitro assays, subcellular localisation serves this purpose, for example, via bioorthogonal click chemistry.
This dissertation comprises three publications detailing the synthesis, characterisation, and evaluation (e.g., IC50, cellular uptake, ROS generation and DNA Interaction) of metal complexes, addressing one or more Hallmarks of Cancer. The main features of the complexes developed in the course of this research are their unique anti-tumoural effects and their subcellular localisation via bioorthogonal chemistry.
The first publication examines NHC-gold(I) thiolato complexes, mimicking the HIF-1α inhibitor AC1-004. Compared to the lead structure, improved cytotoxicity was achieved through accompanying effects, such as thioredoxin reductase (TrxR) inhibition, inhibition of tube formations or disruption of the cytoskeleton formation. Their IC50 values were mainly in the low micromolar range. Bioorthogonal click chemistry of their cyclopropene-bearing analogues also demonstrated the accumulation of the thiolato complexes in the cancer cells' mitochondria.
The second publication focuses on trans-bis platinum(II) complexes, analysing their geometry's effects to circumvent cisplatin (1) resistance. The cytotoxicity of some compounds reached two-digit nanomolar IC50 values against several human cancer cell lines. Furthermore, a structure-activity relationship (SAR) study was conducted, revealing that the cytotoxicity, stability, and mechanism of action correlated with the geometry and the N-substituents. The latter was proven via cyclopropene-tagged derivatives, which accumulated in the cancer cells' nuclei (cis) or mitochondria (trans).
The third publication discusses gold complexes derived from the mitotic inhibitor combretastatin-A4 (CA-4). The ligands were synthesised following VAN LEUSEN imidazole cycloaddition reaction. Different subcellular accumulations could be achieved, depending on the second ligand of the Au(I) species, which was demonstrated via fluorescence experiments with anthracene-bearing congeners. The neutral gold chlorides bound with the DNA, the cationic phosphane complexes led to TrxR inhibition and the bis-NHC complexes accumulated in the lysosomes, all of which led to apoptosis with IC50 values in the low three-digit to the two-digit nanomolar range.

Abstract in weiterer Sprache

Die Welt befindet sich inmitten eines epidemiologischen Wandels: Krebs ist in den Industrieländern mittlerweile die häufigste Todesursache bei Menschen unter 70 Jahren. So variabel und einzigartig, wie eine Krebserkrankung sein kann, so unterschiedlich sind auch die Therapiemöglichkeiten. Während sich der Trend aktuell immer mehr in Richtung personalisierte Therapie unter Einsatz von Immunonkologie entwickelt, ist die Chemotherapie vor allem in fortgeschrittenen Stadien nach wie vor das Mittel der Wahl. Die Komplexe Cisplatin (1), Oxaliplatin (8) oder Carboplatin (7) sind dabei in gut 50% der Therapien vertreten. Bestehende oder sich entwickelnde Resistenzen können allerdings den Therapieerfolg mindern. Die teilweise starken Nebenwirkungen der Zytostatika können zudem die Lebensqualität der Patienten massiv beeinträchtigen.
Daher begann früh nach der Entdeckung von Cisplatin (1) die Erforschung möglicher Alternativen und diese weitete sich schnell auf andere Übergangs- oder Edelmetalle aus. Gegenüber organisch-chemischen Verbindungen haben Metallkomplexe allgemein den Vorteil, dass sich einzigartige Geometrien erzeugen lassen, um so in die Bindungstaschen des Zielmoleküls zu passen. Außerdem kann leicht eine Ladung in den Komplex gebracht werden, was die Pharmakokinetik maßgeblich beeinflusst. Dadurch können andere Wirkmechanismen erzielt werden als die der Platinkomplexe, welche in die DNA interkalieren. Als besonders wirksam haben sich dabei unter anderem Goldkomplexe wie Auranofin (29) erwiesen, die über mitochondriale Wege die Apoptose einleiten. Nebst dem Zentralatom spielen die Liganden eine wichtige Rolle in der Entfaltung der antitumoralen Wirkung. Dabei bestechen NHCs durch ihre Vielseitigkeit und leichte Anpassbarkeit. Durch gezieltes Design lassen sich so target-spezifische oder pleiotropische Chemotherapeutika erzeugen.
Die Kombination einer bereits aktiven Substanz mit einem Zentralmetall kann deren Effekte verbessern und Komplexe mit besonderen Wirkmechanismen, geringeren unerwünschten Nebenwirkungen oder verstärkter antitumoraler Aktivität generieren. Deshalb ist die Aufklärung des Wirkmechanismus dieser Komplexe von großem Interesse. Dazu dient neben in vitro Assays vor allem die subzelluläre Lokalisation zum Beispiel durch bioorthogonale Click Chemie.
Diese Arbeit umfasst drei Publikationen, welche die Synthese, Charakterisierung und Evaluierung (unter anderem IC50, zelluläre Aufnahme, ROS-Erzeugung, DNA-Interaktion) von Metallkomplexen beschreiben, welche einen oder mehrere der Hallmarks of Cancer adressieren. Das Hauptmerkmal der im Zuge dieser Arbeit entstanden Verbindungen sind deren einzigartige antitumorale Effekte sowie deren subzelluläre Lokalisation via bioorthogonaler Chemie.
Die erste Publikation beschäftigt sich mit NHC-Gold(I) Thiolkomplexen, die dem HIF-1α Inhibitor AC1-004 nachempfunden wurden. Durch einhergehende Effekte wie die TrxR Inhibition, die Inhibition der Angiogenese oder die Störung der Ausbildung des Zytoskeletts, konnte eine verbesserte Zytotoxizität verglichen mit der Leitstruktur erzielt werden. Die IC50 Werte lagen dabei hauptsächlich im niedrigen mikromolaren Bereich. Bioorthogonale Click Chemie von Cyclopropen-tragenden Analoga bewies außerdem eine Akkumulation in den Mitochondrien der Krebszellen.
Die zweite Veröffentlichung behandelt vor allem trans-bis Platin(II) Komplexe, die durch ihre Geometrie die Resistenz gegenüber Cisplatin (1) umgehen sollten. Dabei wurden bis zu zweistellig nanomolaren IC50 Werte erreicht. Außerdem wurde eine Struktur-Aktivitäts-Beziehung beobachtet. Nicht nur die Zytotoxizität, sondern auch die Stabilität und der Wirkmechanismus hingen dabei von der Geometrie und den N-Substituenten ab. Der Wirkmechanismus wurde anhand von Cyclopropenen-tragenden Derivaten nachgewiesen, die sich in den Zellkernen (cis) oder Mitochondrien (trans) der Krebszellen anreicherten.
Die dritte Publikation thematisiert Gold Komplexe, deren Imidazolliganden dem Mitoseinhibitor CA-4 nachempfunden wurden. Die Liganden wurden gemäß einer VAN LEUSEN Cycloadditionsreaktion synthetisiert. Je nach Wahl des zweiten Liganden der Au(I) Spezies konnten hier verschiedene subzelluläre Akkumulationen erreicht werden, was durch Anthracen tragende Analoga bewiesen wurde. Die neutralen Goldchloride interkalierten dabei in die DNA, die kationischen Phosphankomplexe führten zur Inhibition von TrxR und die bis-NHC Komplexe reicherten sich in den Lysosomen an. Alle Komplexe führten zur Apoptose mit IC50 Werten im niedrig dreistellig bis zweistelligen nanomolaren Bereich.