Modifikace biomakromolekul metalofarmaky: zdokonalení teoretického zázemí pro vývoj nových léčiv proti rakovině.

Mgr. Vojtěch NOVOHRADSKÝ

Doctoral thesis

Modification of Biomacromolecules by Metallodrugs: Improvement of the Theoretical Background for the Development of new Anticancer Drugs.

Abstract:

Komplexy na bázi přechodných kovů se staly nedílnou součástí farmaceutického průmyslu a položily základ v oblasti moderní chemoterapie. V současné době je jedním z nejpoužívanějších a obecně nejúspěšnějších chemoterapeutik cisplatina, (cis-[PtCl2(NH3)2]). Po objevu cisplatiny odstartoval skutečný "boom" v oblasti syntézy platinových cytostatik. Ze statistik však vyplývá, že bylo syntetizováno více než 3000 látek s centrálním atomem platiny, přibližně 30 z nich se dostalo až do fáze klinických testů a pouhých 6 je v současné době celosvětově v klinické praxi. Cílem rozsáhlých vědeckých výzkumů je získání cytostatik s vyšší účinností a širším spektrem aplikačních možností. V neposlední řadě se snahy upírají k přípravě takového preparátu, který by vykazoval minimum nežádoucích účinků jako je nefrotoxicita, nevolnosti pacientů v průběhu léčby, či dokonce efekt získané rezistence. Právě komplikace spojené s léčbou konvenčními cytostatiky neustále stimulují k vývoji nových a lepších léčiv. Hlavními strategiemi, pomocí nichž lze docílit kýženého benefitu v oblasti protinádorově účinných komplexů na bázi přechodných kovů, jsou například: změna geometrie dané látky (cis, trans konfigurace), záměna centrálního atomu (ruthenium, iridium, osmium, atd.), vytvoření polynukleárních komplexů, změna oxidačního stavu (např. platičité komplexy) a také modifikace stávající látky biologicky aktivními ligandy podporujícími duální efekt léčiva. Komplexy na bázi přechodných kovů představují velmi tvárný systém, pomocí něhož lze veškeré zmíněné přístupy realizovat. Studiem mechanismů, které vedou k akumulaci farmak v buňkách nádorové tkáně, se zabývá první publikovaná práce. Během této studie byly zkoumány dva komplexy s centrálním atomem iridia v oxidačním stavu +III s oktahedrální geometrií. Látky se lišily v charakteru chelatačního ligandu. Hlavním cílem dané studie pak bylo objasnění specifických mechanismů vedoucích k akumulaci iridiových komplexů v lidských nádorových buňkách. Z výsledků plyne, že jak pasivní difuze, tak i energeticky aktivní transport hrají roli v akumulaci iridiových komplexů. V odstraňování z buňky se významnou měrou zapojil MRP1, p-glykoprotein a metabolismus glutathionu. O všech těchto exportních mechanismech je známo, že v praxi mohou být komplikací při léčbě nádorových onemocnění, jelikož jejich činností dochází ke snižování hladiny účinné látky z nitra buněk. Další publikace je zaměřena na studium molekulárních mechanismů buněčné smrti po působení nového iridiového komplexu [(5-C5Me4C6H4C6H5)Ir(phen)Cl]PF6. U této látky byla pozorována vysoká účinnost vůči širokému spektru nádorových buněk jednak hematopoetického charakteru (leukemické), ale i solidních forem malignit (prsu, ovaria). Na velký terapeutický potenciál daného komplexu bylo poukázáno na základě zjištění jeho selektivity, kde při aplikaci vůči lidským nemaligním buňkám nevykazoval komplex výrazný cytotoxický efekt. Takto výjimečné vlastnosti se staly impulsem právě pro studium mechanismů působení na buněčné úrovni. Byl objasněn unikátní duální efekt na úrovni poškození DNA a mitochondrií. Bylo také prokázáno, že dominantním mechanismem buněčné smrti je apoptóza. Vlastnosti tohoto iridiového komplexu poukazují na jeho velký potenciál coby nové alternativy k léčbě nejrůznějších malignit a na jeho možné zahrnutí do budoucích experimentů na organismální úrovni. Obecným přínosem dané práce je použití celé řady experimentálních technik, pomocí nichž byla získána a publikována série výsledků zaměřených na mechanismus protinádorového působení nových metalofarmak. Studie prove

Abstract:

dené v rámci tematiky této disertační práce přispěly k řešení řady projektů zaměřených na problematiku molekulární farmakologie při terapii nádorových onemocnění.

Abstract:

Metal based anticancer compounds become a part of pharmaceutical industry and laid the development of modern chemotherapy. Cisplatin, (cis-[PtCl2(NH3)2]) complex, is currently one of the widely used and very successful chemotherapeutic agent. Since the discovery of antitumor activity of cisplatin a genuine "boom" in the synthesis of platinum compounds has started. More than 3000 compounds with central platinum atom have been synthesized, about 30 of them have entered clinical trials and only 6 are currently used in the clinic. The aim of this extensive research is to find the cytotoxic agent with higher antitumor efficiency and wider range of application possibilities. The main efforts are focused to prepare the drug, which exhibits minimum side effects or even to suppress acquired resistance. Limitations associated with the treatment with conventional compounds continuously stimulate the development of new and better drugs. The main strategies how to achieve the desired benefits are: modification of the complex geometry (cis/trans configurations), substitution of the central atom (ruthenium, iridium, osmium etc.), and synthesis of polynuclear complexes or complexes with the central atom in different oxidation state. Metal based anticancer compounds represent a uniquely modular system whereby all such possibilities can be implemented. Mechanisms that lead to the accumulation of metal-based drugs were studied in the first published work. In this study two octahedral iridium (+III) complexes were investigated that differed in the nature of chelating ligand. The main objective of the study was to elucidate specific mechanisms leading to the accumulation of iridium complexes in human tumor cells. The results show that both passive diffusion and active transport play a role in the accumulation of such iridium complexes. MRP1, p-glycoprotein and glutathione metabolism significantly participate in the efflux mechanisms. All of these export mechanisms are well known in the clinical practice for their ability of active detoxification of a large spectrum of drugs from the intracellular matrix of the cells. The study described in the second publication focused on molecular mechanisms of cell death after the exposure of the tumor cells to a new iridium complex [(5-C5Me4C6H4C6H5)Ir(phen)Cl]PF6. We observed a high efficacy of this compound against a broad spectrum of tumor cells, including hematopoietic (leukemia) as well as solid forms of malignancies (breast, ovary). A great therapeutic potential of this iridium complex should be stressed, based on the selectivity against nonmalignant cells. This exceptional qualities became an impetus for studying mechanisms of action at the cellular level. The results were interpreted to mean that the new iridium complex exhibits a unique dual effect on the level of DNA and mitochondria damage. It was also shown that the predominant mechanism of cell death is apoptosis. The observed properties of this iridium compound point out to its great potential as a new alternative for the treatment of various malignancies and its possible inclusion in further in vivo experiments. The other publications were dedicated to platinum(IV) compounds with valproic acid (VPA) in the positions of axial ligands. The epigenetic changes on the cellular level induced by these agents were demonstrated. In addition, already clinically tested ruthenium compound NAMI-A was a subject of another research project. The overall benefit of this research is the use of a large variety of experimental techniques, by which a series of results concerning the mechanisms of action of a new antitumor metallodrugs were obtained and published. The studies conducted in the context of the objectives of this thesis contributed to the implementation of a number of projects focused on the molecular pharmacology in cancer therapy.

Keywords

protinádorově účinné komplexy kovů, buněčná smrt, buněčná akumulace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 4. 2015

Accessible from:: 7. 4. 2015

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Jana Kašpárková, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics