Mechanistické štúdie zamerané na poznanie mechanizmov toxických účinkov komplexov prechodných kovov v nádorových bunkách

Mgr. Juraj ZAJAC

Doctoral thesis

Mechanistic studies focused on understanding the toxic effects of transition metal complexes in tumor cells

Abstract:

Jedným z konceptov pri vývoji efektívnejších protinádorových liečiv je konjugácia platinových cytostatik s inými biologicky aktívnymi látkami. Za týmto účelom bola pripravená a študovaná nová skupina derivátov cisplatiny, obsahujúcich ligandy nesteroidného protizápalového liečiva diklofenak. Bolo zistené, že tieto Pt(II) komplexy sú selektívne cytotoxické vo vybraných nádorových líniách. Okrem toho vykazujú aktivitu v nádorových bunkách rezistentných voči cisplatine. Jeden z komplexov, cis-[Pt(Dic)2(NH3)2] s dvomi ligandami diklofenaku, je účinnejší než samotná cisplatina a vyznačuje sa zvýšenou bunečnou akumuláciou spolu so zvýšenou väzbou na nukleárnu DNA. Mechanistické štúdie naznačujú, že cis-[Pt(Dic)2(NH3)2] ovplyvňuje bunečný metabolizmus glukózy a spôsobuje kolaps mitochondriálneho membránového potenciálu v nádorových bunkách. Prítomnosť molekúl diklofenaku taktiež prispieva k schopnosti komplexu blokovať bunečný cyklus nádorových buniek a potláčať ich metastatický potenciál. Iným prístupom je využitie kineticky inertnejších Pt(IV) komplexov a modifikácia ich axiálnych ligandov. Štúdie nových Pt(IV) derivátov oxaliplatiny s axiálnymi ligandami dichlóracetátu ukazujú, že tieto látky majú protinádorové mechanizmy spojené nielen s väzbou na nukleárnu DNA, ale aj s účinkami na mitochondrie, metabolizmus glukózy a autofágiu nádorových buniek. Komplexy sú naviac schopné prekonať vrodenú a získanú rezistenciu nádorových buniek voči klinicky používanej oxaliplatine a cisplatine. Cytotoxické účinky komplexov môžu byť dokonca zosilnené v kombinácii s protinádorovým chemoterapeutickým liečivom 5-fluorouracil. Nanočastice rôznych formulácii reprezentujú inovatívne systémy s možnosťou selektívneho transportu protinádorových liečiv do cieľových nádorov. Táto myšlienka bola využitá pri syntéze a štúdiu novej skupiny magnetických nanočastíc modifikovaných cisplatinou. Študované nanočastice majú vo vybraných nádorových líniách, vrátane buniek rezistentných, výrazne vyššiu aktivitu než samotná cisplatina. Okrem toho nanočastice nie sú cytotoxické v nenádorových bunkách, a vykazujú teda istý druh nádorovej selektivity. Pri syntéze potenciálnych protinádorových liečiv sú čoraz častejšie využívané aj ostatné prechodné kovy, ako napríklad ruthénium alebo irídium. NAMI-A je klinicky testovaný ruthéniový komplex, ktorý selektívne inhibuje rast nádorových metastáz. Napriek dokončeniu dvoch klinických skúšok, len málo informácii existuje o správaní NAMI-A po aplikácii do krvného obehu. Z tohto dôvodu bol skúmaný vplyv chemických modifikácii NAMI-A na jeho antimetastatický potenciál. Pre simuláciu metastatickej kapacity nádorov bol využitý test adhézie vysoko invazívnych nádorových buniek. Test ukázal, že redukcia NAMI-A a formovanie aduktov s ľudským sérovým albumínom výrazne ovplyvňujú jeho účinky na bunečnú adhéziu. Toto zistenie podporuje teóriu, že chemické modifikácie NAMI-A určujú jeho farmakologickú aktivitu v metastázach nádorov. Ďalej bola študovaná nová skupina substitučne inertných a luminiscenčných irídiových komplexov typu [Ir(C^N)2(N^N)][PF6] s ligandami na báze benzimidazolu. Ukázalo sa, že mechanizmus zodpovedný za cytotoxické účinky komplexov je odlišný od mechanizmu cisplatiny a nezahrňuje koordinačnú väzbou na nukleové kyseliny. Mechanistické štúdie komplexov prechodných kovov v predloženej práci dokazujú, že racionálnym návrhom chemickej štruktúry možno dosiahnuť významnej protinádorovej účinnosti týchto chemoterapeutických látok.

Abstract:

One of the concepts for developing more effective anticancer drugs is the conjugation of platinum cytostatics with other biologically active compounds. For this purpose, a series of cisplatin derivatives containing ligands of non-steroidal anti-inflammatory drug diclofenac were synthesized and studied. It was found that these Pt(II) compounds are selectively cytotoxic in selected tumor cell lines. Moreover, they exhibit activity in cisplatin resistant tumor cells. One of the complexes, cis-[Pt(Dic)2(NH3)2] with two diclofenac ligands, is more effective than parental cisplatin and is characterized by an enhanced cellular uptake together with nuclear DNA binding. Mechanistic studies indicate that cis-[Pt(Dic)2(NH3)2] affects the cellular glucose metabolism and causes the collapse of mitochondrial membrane potential in tumor cells. The presence of diclofenac molecules also contributes to the ability of complex to arrest cell cycle of tumor cells and suppress their metastatic potential. Another approach is the utilization of kinetically more inert Pt(IV) complexes and modification of their axial ligands. The studies of newly synthesized Pt(IV) derivatives of oxaliplatin containing axial dichloroacetate ligands show that these compounds have anticancer mechanisms associated not only with the nuclear DNA binding, but also with the effects on mitochondria, glucose metabolism and autophagic response of tumor cells. In addition, the complexes are able to overcome inherent and acquired resistance of tumor cells against clinically used cisplatin and oxaliplatin. The cytotoxic effects of complexes can be even more potentiated when combined with the anticancer chemotherapeutic drug 5-fluorouracil. The nanoparticles of different formulations represent innovative systems with the possibility to selectively deliver anticancer drugs into the target tumors. This concept was used for the synthesis and investigation of novel magnetic nanoparticles modified with cisplatin. The studied nanoparticles are significantly more active than cisplatin in selected tumor cell lines including cisplatin-resistant tumor cells. Moreover, the nanoparticles are not cytotoxic in noncancerous cells, and hence they exhibit a certain kind of tumor selectivity. There is a growing interest in taking advantage of other transition metals, such as the ruthenium or the iridium, for the synthesis of potential anticancer drugs. NAMI-A is a clinically tested ruthenium complex that selectively inhibits the growth of tumor metastases. Although two clinical studies have already been completed, very poor information exists on the behavior of NAMI-A once injected into the bloodstream. For that reason, the impact of chemical modifications of NAMI-A on its anti-metastatic potential was investigated. The adhesion test of highly invasive cancer cells was used as a simulation of tumor metastatic capacity. The test showed that the reduction and aggregation of NAMI-A with human serum albumin significantly influence its effects on cellular adhesion. This observation supports the thesis that the chemical modifications of NAMI-A determine its pharmacological activity in tumor metastases. A new class of substitutionally inert and luminescent iridium complexes of the type [Ir(C^N)2(N^N)][PF6] containing benzimidazole-based ligands was further studied. It was showed that the mechanism responsible for the cytotoxic effects of these complexes differs from that of cisplatin and is not involving coordinative binding to nucleic acids. Mechanistic studies on transition metal complexes in present work confirm that the rational design of chemical structure may significantly enhance the anticancer activity of these chemotherapeutic compounds.

Keywords

cisplatina, platinová rezistencia, bunečná smrť, komplexy prechodných kovov, nanočastice

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 4. 2017

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Viktor Brabec, DrSc.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics