The study of interactions between antitumor effective heavy metal complexes with biomacromolecules using molecular biophysics methods

Ing. Radana OLIVOVÁ

Doctoral thesis

Abstract:

Konvenční cisplatina (cis-diammindichloridoplatnatý komplex) je nejpoužívanějším a nejúspěšnějším metalofarmakem v léčbě rakoviny více než 50 let. Protinádorové vlastnosti cisplatiny jsou přičítány jejím hlavním aduktům 1,2-GG-vnitrořetězcovým můstkům vzniklým po vazbě na DNA, která je hlavním farmakologickým cílem platinovým léčiv. Opakované používání cisplatiny v klinické praxi vedlo k rezistenci nádorů vůči cisplatině, která spočívá zejména v odstranění tohoto poškození pomocí nukleotidových excizních oprav (NER). Nepříznivým aspektem použití cisplatiny v klinické praxi jsou také nežádoucí vedlejší účinky. Proto se dnešní výzkum metalofarmak vydává dvěma rozdílnými směry. První směr spočívá v syntéze vícejaderných platinových komplexů, jejichž reaktivní platinové jednotky jsou přemostěny flexibilními ligandy. Takové vícejaderné PtII komplexy mají rozdílný DNA vazebný modus, který vyvolává rozdílné protinádorové vlastnosti než cisplatina. Tuto skupinu metalofarmak v této disertaci reprezentuje trojjaderný platinový komplex {[Pt3Cl3 (hptab)]3+ (hptab=N,N,N?,N?,N??,N??-hexakis(2-pyridylmethyl)-1, 3, 5tris(aminomethyl)benzen)} (1), který byl zkoumán pro svůj jedinečný vazebný a můstky tvořící modus. Druhý směr současného výzkumu se zabývá syntézou vícejaderných platinových komplexů, ve kterých jsou platinové jednotky přemostěny rigidními linkery. Tyto dvojjaderné PtII komplexy s azolátovým můstkem vyvolávají v DNA minimální konformační distorze, i když vytvářejí stejné adukty jako cisplatina. Nová skupina metalofarmak je v této disertační práci zastoupena dvojjaderným platinovým komplexem s benzotriazolátovým můstkem [{cis-Pt(NH3)2Cl}2(?-1,2,3-Btaz-H-N1,N3)]Cl (2), u něhož byla zkoumána počáteční fáze mechanismu zodpovědného za jeho hlavní biologické vlastnosti. Primárním cílem studia trojjaderného komplexu 1 bylo prozkoumat jeho vazbu na DNA se zaměřením na formování vnitromolekulárních a mezimolekulárních můstků. Výsledky odhalily, že komplex 1 vytváří hlavně trifunkční vnitrořetězcové můstky, tzn., že všechny tři platinové jednotky jsou koordinovány ke guaninovým bázím v DNA. Tím dochází ke značným konformačním distorzím. Fascinujícím jevem je, že trojjaderný komplex je schopný vytvářet koordinační můstky mezi DNA a proteiny a také meziduplexové meziřetězcové můstky za podmínek napodobujích přirozený stav uvnitř buněčného jádra. Tento posledně jmenovaný jev byl u trojjaderných komplexů platiny pozorován poprvé. Studium dvojjaderného PtII komplexu 2 bylo zaměřeno na jeho interakce s DNA. Bylo zjištěno, že adukty komplexu 2 vyvolávají v DNA odlišné distorze než adukty cisplatiny a také, že jeho monofunkční adukty se uzavírají na toxičtější bifunkční adukty pomaleji, než v případě cisplatiny. Vazba dvojjaderného komplexu 2 na DNA je inaktivována látkami obsahujícími síru (zodpovědnými za rezistenci nádorových buněk k platinovým cytostatikům) více než u cisplatiny. Dále byly také studovány protinádorově účinná analoga cisplatiny, jmenovitě {cis-[PtCl2(3ClHaza)2]} (3) a {cis-[PtCl2(3IHaza)2]} (4) (3ClHaza a 3IHaza = 3-chloro-7-azaindol a 3-iodo-7-azaindol) a bylo zjištěno, že tyto komplexy se vyznačují výrazně nižší reaktivitou s látkami obsahujícími síru v porovnání s cisplatinou. Výsledky, kterých bylo dosaženo zkoumáním protinádorově účinných komplexů v rámci této disertační práce umožňují rozšířit teoretické zázemí důležité pro návrhy nových protinádorově účinných metalofarmak.

Abstract:

The conventional cisplatin [cis-diamminedichloridoplatinum(II)] is the most used and successful anticancer compound more than 50 years. The antitumor properties of cisplatin are attributed to its major adducts 1,2-GG-intrastrand cross-links formed in DNA, which is the major pharmacological target of platinum drugs, generally. Thus, acquired tumor resistance to cisplatin after wider application in clinical practice is mainly due to removal of major adducts from DNA by nucleotide excision repair (NER). In addition, undesirable side effects represent additional unfavorable aspect of the clinical use of cisplatin. Therefore, the current research of metallodrugs continues in two different directions. One direction is synthesis of polynuclear platinum complexes containing flexible bridged ligands. Such complexes exhibit a different DNA binding mode, which is responsible for different antitumor properties in comparison with cisplatin. This group of metallodrugs is represented in this thesis by trinuclear tridentate platinum complex {[Pt3Cl3(hptab)]3+(hptab=N,N,N',N',N'',N''-hexakis(2-pyridylmethyl)-1,3,5tris(aminomethyl)benzene)} (1), which was studied because of its unique DNA binding and cross-linking mode. The second direction of current research is focused on synthesis of polynuclear platinum complexes with rigid linkers. These dinuclear azolato- bridged PtII complexes induced in DNA minimal confor- mational distortions, but, interestingly, they form the same adducts like cisplatin. This new class of metallodrugs is represented in this thesis by benzotriazolate-bridged dinuclear PtII complex [{cis-Pt(NH3)2Cl}2 (?-1, 2, 3-Btaz-H-N1,N3)]Cl (2). The early phases of the mechanism underlying biological properties of complex 2 were studied. The primary objective of the study of trinuclear complex 1 was to fully investigate the binding of complex 1 to natural, high-molecular-mass DNA and plasmid DNAs with focusing on intramolecular and intermolecular cross-linking. Our results reveal that complex 1 forms mainly trifunctional intrastrand cross-links, i.e. when all three PtII centers of complex 1 are coordinated preferentially to G base residues. Hence, these trifunctional adducts induced in DNA extensive conformational distortions. Intriguingly, complex 1 can cross-link proteins to DNA and can form interduplex interstrand cross-links under crowding conditions mimicking condition in cell nucleus. The latter fascinating phenomenon was identified for the class of trinuclear platinum complexes for the first time. The study of benzotriazolate-bridged dinuclear PtII complex was focused on interactions with DNA. It was observed that adducts of dinuclear complex 2 distort DNA differently than adducts of cisplatin. Monofunctional DNA adducts of complex 2 are converted to more toxic bifunctional cross-links significantly more slowly than cisplatin. Furthermore, the binding of dinuclear complex 2 to DNA in tumor cells is inactivated by sulfur-containing compounds markedly more than that of cisplatin. In addition, the attention was also paid to antitumor mononuclear analogues of cisplatin, namely {cis-[PtCl2(3Cl Haza)2]} (3) and {cis-[PtCl2(3I Haza)2]} (4) (3Cl Haza and 3I Haza = 3-chloro-7-azaindole and 3-iodo-7-azaindole, respectively). This study revealed that reactions of these complexes (3, 4) with sulfur containing compounds (which are responsible for the resistance of tumors to platinum drugs) are significantly retarded in contrast to those of cisplatin. The results based on the investigation of interactions of platinum complexes examined within this thesis can expand the theoretical background needed for the design of new antitumor metallodrugs.

Keywords

platinová léčiva, cisplatina, protinádorový, vazba na DNA, meziduplexové meziřetězcové můstky, DNA-protein můstky, sirné sloučeniny

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 6. 2013

Accessible from:: 7. 6. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 1. 8. 2013
• Supervisor: Prof. RNDr. Viktor Brabec, DrSc.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics