Mechanistické studie biologických účinků vybraných cytostatik

Mgr. Jana Štěpánková, Ph.D.

Doctoral thesis

Mechanistic studies of biological effects of selected antitumor drugs

Abstract:

Doxorubicin, cisplatina a jejich analoga patří mezi nejúčinnější protinádorová léčiva. Přes nesporné výhody při léčbě nádorových onemocnění je aplikace těchto chemoterapeutik spojena s řadou vedlejších účinků. Vývoj nových antracyklinů a metalofarmak se ubírá dvěma směry: vývojem léčiv odvozených od běžně používaných chemoterapeutik a vývojem protinádorových léčiv směrovaných do postižených tkání. Analog doxorubicinu, 2-pyrrolinodoxorubicin, vykazuje 500-1000krát vyšší účinnost v lidských a myších nádorových buňkách in vitro než doxorubicin. Výrazně vyšší cytotoxicity lze dosáhnout také aktivací antracyklinů pomocí látek uvolňujících formaldehyd, jako hexamethylentetramin. V práci byly studovány mechanismy zodpovědné za zvýšený protinádorový účinek 2-pyrrolinodoxorubicinu a doxorubicinu ve spojení s léčivem uvolňujícím formaldehyd v bezbuněčném médiu. Bylo zjištěno, že 2-pyrrolinodoxorubicin i doxorubicin aktivovaný hexamethylentetraminem vytváří na DNA meziřetězcové můstky a tím inhibuje funkci esenciálních enzymů jako DNA helikázy a RNA polymerázy. Nové pojetí protinádorové terapie přináší spojení metalofarmak s interkalátory. V práci byla studována třída platinových-akridinových komplexů, mezi které se řadí také [PtCl(en)(L)](NO3)2 (en = ethan-1,2-diamin, L = 1-[2-(akridin-9-ylamino)ethyl]-1,3-dimethylthiourea) a jeho účinnější analog, získaný záměnou thiomočovinové skupiny za amidovou skupinu, Ľ = N-[2-(akridin-9-ylamino)ethyl]-N-methylpropionamidin. V práci byly sledovány rozdíly ve tvorbě, struktuře a rozpoznání DNA aduktů pro tyto dva akridinové komplexy a cisplatinu. Výzkum a porovnání těchto komplexů a cisplatiny pomohl vysvětlit vysokou cytotoxicitu nového derivátu v buněčných liniích k cisplatině rezistentních. Dalším možným přístupem pro překonání nevýhod spojených s léčbou klasickými Pt komplexy je vyvinutí léčiva s odlišným centrálním atomem kovů. Příkladem jsou rutheniové arenové komplexy. Pro studium vazby na DNA byly vybrány komplexy: [(η6-ind)Ru(bipy(OH)2)Cl][PF6] (ind = indan, bipy = bipyridin), který se vyznačuje protinádorovou účinností v lidských nádorových buněčných liniích, a jeho protinádorově neúčinný analog [(η6-ind)Ru(bipyCl)][PF6]. Studium DNA vazebného módu obou komplexů neodhalilo žádné významné rozdíly. Navíc bylo ukázáno, že DNA pravděpodobně není hlavním cílovým místem protinádorové účinnosti těchto komplexů.

Abstract:

Doxorubicin, cisplatin and their analogs are widely used antitumor drugs. Despite their success in treatment of tumors, their applicability is still associated with several drawbacks, e.g. inducing severe side effects in patient’s body. New strategies for improving the efficiency of commonly used anticancer drugs have moved along two lines: development of tumor-targeted agens and development of new analogs. Analog of doxorubicin, 2 pyrrolinodoxorubicin, shows 500-1000 times higher in vitro activity towards human and mouse cancer cells than parental doxorubicin. This compound represents a very potent target anticancer drug. It has been shown that coadministration of doxorubicin with formaldehyde-releasing compounds (e.g. hexamethylenetetramine) leads to a considerable improvement of doxorubicin-based anticancer treatments. However, molecular mechanisms responsible for this exceptional cytotoxicity of this analog have not been entirely clarified. To provide this information, we have studied the interactions of both anthracyclines with DNA in cell-free media by using biochemical and biophysical methods. Moreover, effects of such interactions on cell enzymes activity were investigated. Results of the present work show that 2 pyrrolinodoxorubicin and doxorubicin activated by formaldehyde readily form interstrand cross-links on DNA, which results in the inhibition of function of some essential cellular enzymes. A new conception of anticancer therapy introduces synthesis of metallopharmaceutics in conjunction with intercalators. From these platinum–acridine hybrid agent [PtCl(en)(L)](NO3)2 (en = ethane-1,2-diamine, L = 1-[2-(acridin-9-ylamino)ethyl]-1,3-dimethylthiourea) and a considerably more potent second-generation analog containing L´ = N-[2-(acridin-9-ylamino)ethyl]-N-methylpropionamidine were introduced. Reported herein is a comparative study of structure, formation and recognition of DNA adducts formed on DNA by the two new acridine complexes and cisplatin. The obtained results contribute to the elucidation of the high cytotoxic efficiency of the second-generation analog in cisplatin-resistant, repair proficient cancer cell lines. The last part of the thesis deals with the studies of DNA binding properties of two ruthenium(II) arene complexes: [(η6-ind)Ru(bipy(OH)2)Cl][PF6] (ind = indane, bipy = bipyridine), showing a good anticancer activity in human cancer cell lines, and its inactive analog [(η6-ind)Ru(bipyCl)][PF6]. Since these complexes bind only weakly to DNA and DNA binding modes of both complexes do not exhibit significant differences, DNA might not be the major pharmacological target of these complexes.

Keywords

doxorubicin, cisplatina, komplexy ruthenia, komplexy platiny, protinádorová aktivita, DNA doxorubicin, cisplatin, ruthenium complexes, platinum complexes, antitumor, DNA

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 7. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 5. 9. 2011
• Supervisor: prof. RNDr. Viktor Brabec, DrSc.
• Reader: doc. RNDr. Oldřich Vrána, CSc., doc. RNDr. Miroslav Šíp, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Biophysics