Modifications of double bonds of lupane triterpenoids with anticancer activity

Mgr. Jan POKORNÝ

Doctoral thesis

Modification of double bonds of lupane derivatives with antitumor activity

Abstract:

Pentacyclic triterpenoids are a large group of natural substances with a broad palette of biological activities. Many researchers are interested in their synthetic modifications in order to exploit their promising potential in drug development. One of the best-known compounds from the group of triterpenes is betulinic acid, which is known for its strong anticancer properties. Oxidation of betulinic acid at the position C-30 results in 30-oxobetulinic acid that had IC50 values in the low micromolar range against multiple cancer cell lines. However, this molecule suffered from the general toxicity caused by the presence of the Michael acceptor in its structure, resulting in low selectivity. In this Ph.D. thesis, three different synthetic approaches to modify the 30-oxobetulinic acid at the position C-30 are described in order to overcome its low selectivity and to improve other properties such as low solubility in water. An isosteric replacement was chosen in the first two projects, where the -CH=O formation of the parent compound was replaced with the -CH=N- or -CH=CH- to mask the Michael acceptor. Within the first project, a small series of triterpenic azines was prepared by condensation of variously substituted aromatic hydrazones and 30-oxobetulinic acid. Triterpenic azines had anticancer activities against the lymphoblastic leukemia cell line comparable to 30-oxobetulinic acid, but selectivity was significantly improved. On the other hand, they were unstable and hard to prepare in higher yields. The Wittig reaction was employed in the second project, where both problems were successfully resolved and a large group of forty new dienes was prepared. Two representatives were selected due to their high cytotoxicity to study their pharmacological parameters and mechanism of action. Both disrupt mitochondrial permeability and activate selective apoptosis via an intrinsic pathway. One derivative was chosen as a potential candidate for further preclinical development. In the third project, 30-oxobetulinic acid was further oxidized to carboxylic acid and transformed to propargyl ester that was able to react in the copper(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC). The connection of the terpene with a rather polar triazole ring may improve the solubility of the molecule in water-based media and the bioavailability. The Heck reaction was optimized for use at the position C-3 in the fourth project. Throughout the work, the effect of double bonds in different parts of the triterpene structure was studied and reviewed in the theoretical part of this thesis.

Abstract:

Pentacyklické triterpenoidy představují velkou skupinou přírodních látek se širokou paletou biologických aktivit. Mnoho výzkumných skupin se zajímá o jejich syntetické modifikace s cílem využít jejich slibný potenciál při vývoji léčiv. Jednou z nejznámějších sloučenin ze skupiny triterpenoidů je kyselina betulinová, známá svými silnými protinádorovými účinky. Oxidací kyseliny betulinové v poloze C-30 lze připravit kyselinu 30-oxobetulinovou, která vykazuje hodnoty IC50 v nízkém mikromolárním rozmezí proti řadě nádorových buněčných linií. Její nevýhodou je však obecně vysoká toxicita, způsobená přítomností Michaelova akceptoru ve struktuře, což má za následek nízkou selektivitu této sloučeniny. V předložené dizertační práci jsou popsány tři různé syntetické přístupy modifikace kyseliny 30-oxobetulinové v poloze C-30 s cílem překonat její nízkou selektivitu a zlepšit další vlastnosti, jako je např. nízká rozpustnost ve vodě. U prvních dvou projektů byla zvolena cesta isosterické záměny, při níž byla formace -CH=O výchozí sloučeniny nahrazena za -CH=N- nebo -CH=CH- za účelem zamaskování Michaelova akceptoru. V rámci prvního projektu tak byla připravena malá série triterpenických azinů kondenzací různě substituovaných aromatických hydrazonů a kyseliny 30-oxobetulinové. Připravené aziny vykázaly protirakovinnou aktivitu vůči buněčné linii lymfoblastické leukemie CCRF-CEM srovnatelnou s kyselinou 30-oxobetulinovou, selektivita však byla výrazně zvýšena. Bohužel byly tyto látky nestabilní a obtížně se připravovaly ve vyšších výtěžcích. Wittigova reakce byla použita ve druhém projektu, kde se podařilo oba problémy minimalizovat a připravit knihovnu čtyřiceti nových dienů s konjugovanými vazbami. Dva nejaktivnější zástupci byli podrobeni studiu farmakologických parametrů a mechanismu účinku. Obě látky narušují mitochondriální permeabilitu a aktivují selektivní apoptózu mitochondriální dráhou. Jeden derivát byl vybrán jako potenciální kandidát pro další preklinický vývoj. Ve třetím projektu byla kyselina 30-oxobetulinová dále oxidována v poloze C-30 na kyselinu a alkylována na propargylester, který byl schopen reagovat v mědí(I) katalyzované azido-alkynové cykloadici (CuAAC). Spojením terpenu s poměrně polárním triazolovým kruhem lze zlepšit rozpustnost molekuly ve vodném prostředí a biologickou dostupnost. Heckova reakce byla optimalizována pro použití v poloze C-3 ve čtvrtém projektu. V průběhu celé práce byl studován vliv dvojných vazeb v různých částech struktury triterpenu na biologickou aktivitu, který byl shrnut v teoretické části této práce.

Keywords

organická syntéza, triterpeny, kyselina betulinová, cytotoxicita, rakovina

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 2. 2022

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Milan Urban, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Organic Chemistry