Isolation and structure elucidation of secondary metabolites from marine organisms of the Red Sea

Abstract

Despite the continuous efforts of many research groups to develop new therapeutic treatments for various health problems, current medicines yield low cure rates and undesirable side effects. In the ongoing search for more effective anticancer and antibiotic agents, marine organisms have emerged as a promising new resource yielding unusual chemical structures with potent biological activities. The vast diversity and relatively unexplored nature of these unique sources of chemodiversity is expected to open a new era to drug discovery. Natural products have been the predominant source of new pharmaceuticals in the last fifty years. Between 1981 and 2002, 60% of the anticancer drugs and 75% of the anti-infectious disease drugs could be traced to or were inspired by natural products. Humankind has explored and exploited the terrestrial environment for more than 3,000 years, but only relatively recently turned its attention to the oceans as a possible source for natural medicines. From the early investigations in the 1970s until now marine organisms have yielded more than 32,000 natural products. Already a number of them are available in the pharmaceutical market, such as ziconotide (strong analgesic for severe pain relief by the brand name Prialt) and ecteinascidin 743 (potent antitumor for the treatment of soft tissue sarcoma by the brand name Yondelis), while many compounds are in advanced clinical trials for the treatment of numerous diseases. In the framework of the present PhD thesis, the chemical composition of organic extracts obtained after the exhaustive extraction of three marine organisms, namely the red alga Laurencia majuscula, a sponge of the genus Lamellodysidea and the soft coral Sinularia polydactyla, collected from Hurghada and Thuwal, in the Red Sea (Egypt and Saudi Arabia) was investigated. To isolate the secondary metabolites of these marine organisms, the extracts were submitted to a series of chromatographic separations with various solvents and different types of chromatography. The isolated metabolites were identified on the basis of their spectroscopic data (NMR, MS, IR, UV-Vis) and comparison with literature data. In total 64 secondary metabolites have been isolated from these marine organisms, among which 59 have been structurally characterized, including 18 new natural products and one previously reported as a synthetic derivative. Twenty-two secondary metabolites (1-22) were isolated and identified on the basis of their spectroscopic characteristics from the red alga L. majuscula collected from Hurghada, Egypt. These included seven laurane sesquiterpenes (1-7), one cuparane sesquiterpene (8), one seco-laurane derivative (9), one snyderane derivative (10), two chamigranes (11 and 12) and two rearranged chamigranes (13 and 14), one aristolane sesquiterpene (15), one tricyclic diterpene (16), one five-membered C15 acetogenin (17), four tricyclic C15 acetogenins of the maneonene type (18-21) and a chlorinated fatty acid derivative (22). Compounds 2, 3, 5, 6, 9, 17 and 19-21 are new natural products. From the marine sponge Lamellodysidea sp. collected from the coral reef off Thuwal in Saudi Arabia, 11 sesquiterpenes (23-31), mostly containing furan or γ-lactone in their structures, were isolated, three of which are new natural products (25, 30 and 31) and one (33) is reported for the first time from a natural source. Twenty six steroids (34-59) have been isolated and structurally characterized from the soft coral S. polydactyla collected from Hurghada, Egypt, including 15 4α-methylated derivatives. Compounds 34, 35, 39, 41, 46 and 53 are new natural products. Among them, metabolites 34 and 35 feature the rare 4-methyl-8,9-seco-cholastane steroidal nucleus. The cytotoxic, anti-inflammatory, anti-angiogenic, and neuroprotective activity of compounds 36–40, 42–45, 47–53 and 55–59, as well as their effect on androgen receptor-regulated transcription was evaluated in vitro in human tumor and non-cancerous cells.

Παρά τις συνεχείς προσπάθειες πολλών ερευνητικών ομάδων για την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών αγωγών για διάφορες ασθένειες, τα υπάρχοντα φάρμακα παρέχουν σχετικά χαμηλά ποσοστά θεραπείας συχνά συνοδευόμενα με ανεπιθύμητες παρενέργειες. Στην αναζήτηση νέων και πιο αποτελεσματικών φαρμάκων με αντικαρκινική και αντιβιοτική δράση, οι θαλάσσιοι οργανισμοί έχουν αναδειχθεί ως μία πολλά υποσχόμενη πηγή νέων μορίων με ασυνήθιστες χημικές δομές και υψηλή βιολογική δράση. Η τεράστια ποικιλία αυτών των σχετικά ανεξερεύνητων οργανισμών ως πηγή χημειοποικιλότητας αναμένεται να ανοίξει μια νέα εποχή στην εξέλιξη νέων φαρμάκων. Τα φυσικά προϊόντα έχουν αποτελέσει την βασική πηγή νέων φαρμακευτικών προϊόντων τα τελευταία πενήντα χρόνια. Μεταξύ του 1981 και του 2002, το 60% των αντικαρκινικών φαρμάκων και το 75% των φαρμάκων κατά των λοιμωδών νόσων προέρχονταν ή είχαν εμπνευστεί από φυσικά προϊόντα. Η ανθρωπότητα έχει εξερευνήσει και εκμεταλλευτεί το χερσαίο περιβάλλον για περισσότερα από 3.000 χρόνια, αλλά μόνο σχετικά πρόσφατα στράφηκε στους ωκεανούς αναζητώντας νέες πηγές βιοδραστικών μορίων. Από τις πρώτες έρευνες, που ξεκίνησαν στη δεκαετία του 1970 έως τώρα οι θαλάσσιοι οργανισμοί έχουν αποδώσει περισσότερα από 32.000 φυσικά προϊόντα. Ήδη ορισμένα από αυτά είναι εμπορικά διαθέσιμα φάρμακα, όπως π.χ. το ziconotide (ισχυρό αναλγητικό για ανακούφιση από έντονους πόνους, με το εμπορικό σήμα Prialt) και η ecteinascidin 743 (ισχυρό αντικαρκινικό για τη θεραπεία σαρκώματος μαλακών ιστών με το εμπορικό σήμα Yondelis), ενώ πολλοί άλλοι μεταβολίτες από θαλάσσιους οργανισμούς βρίσκονται σε προχωρημένα στάδια κλινικών δοκιμών για τη θεραπεία πολλών ασθενειών. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η χημική σύσταση των οργανικών εκχυλισμάτων που παρελήφθησαν κατόπιν εξαντλητικής εκχύλισης τριών θαλάσσιων οργανισμών που συλλέχθηκαν στην Ερυθρά Θάλασσα. Συγκεκριμένα η μελέτη εστιάσθηκε στο ροδοφύκος Laurencia majuscula, ενός σπόγγου του γένους Lamellodysidea και του μαλακού κοραλλιού Sinularia polydactyla που συλλέχθηκαν από τις περιοχές της Hurghada και του Thuwal, στην Ερυθρά Θάλασσα (Αίγυπτος και Σαουδική Αραβία). Για την απομόνωση των δευτερογενών μεταβολιτών αυτών των θαλάσσιων οργανισμών, τα οργανικά τους εκχυλίσματα υποβλήθηκαν σε σειρά χρωματογραφικών διαχωρισμών με ποικίλους διαλύτες και τύπους χρωματογραφίας. Οι απομονωμένοι μεταβολίτες ταυτοποιήθηκαν κατόπιν ανάλυσης των φασματοσκοπικών τους δεδομένων (NMR, MS, IR, UV-Vis) και σύγκρισης με δεδομένα βιβλιογραφίας όπου υπήρχαν διαθέσιμα. Συνολικά από τους ανωτέρω θαλάσσιους οργανισμούς απομονώθηκαν 64 δευτερογενείς μεταβολίτες, εκ των οποίων οι 59 έχουν χαρακτηριστεί πλήρως ως προς την χημική τους δομή και μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται 18 μεταβολίτες με νέες χημικές δομές καθώς και 1 μόριο που απομονώνεται για πρώτη φορά ως φυσικό προϊόν. Από το ροδοφύκος L. majuscula που συλλέχθηκε από την περιοχή της Hurghada της Αιγύπτου απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν με βάση τα φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά τους είκοσι δύο δευτερογενείς μεταβολίτες (1-22) Μεταξύ αυτών συμπεριλαμβάνονται επτά σεσκιτερπένια με σκελετό λαουράνιου (1-7), ένα σεσκιτερπένιο με σκελετό κουπαράνιου (8), ένας μεταβολίτης με σκελετό σεκο-λαυρανίου (9), ένα παράγωγο σνυδερανίου (10), δύο μεταβολίτες με τσαμιγκρανικό σκελετό (11 και 12), δύο αναδιαταγμένα τσαμιγκράνια (13 και 14) , ένα σεσκιτερπένιο με σκελετό αριστολανίου (15), ένα τρικυκλικό διτερπένιο (16), μία C15 ακετογενίνη με πενταμελή δακτύλιο (17), τέσσερεις τρικυκλικές C15 ακετογενίνες τύπου μανεονένης (18-21) και ένα χλωριωμένο παράγωγο λιπαρού οξέος (22). Οι ενώσεις 2, 3, 5, 6, 9, 17 και 19-21 αποτελούν νέα φυσικά προϊόντα. Από τον θαλάσσιο σπόγγο Lamellodysidea sp. που συλλέχθηκε από τη περιοχή του Thuwal στη Σαουδική Αραβία, απομονώθηκαν 11 σεσκιτερπένια (23-31) που περιέχουν στις δομές τους φουράνιο ή γ-λακτόνη, τρία εκ των οποίων αποτελούν νέα φυσικά προϊόντα (25, 30 και 31) και ένα (33) που αναφέρεται για πρώτη φορά από φυσική πηγή. Από το μαλακό κοράλλι S. polydactyla που συλλέχθηκε από την Ερυθρά θάλασσα στην περιοχή της Hurghada στην Αίγυπτο απομονώθηκαν και χαρακτηρίσθηκαν ως προς την χημική δομή τους είκοσι έξι στεροειδή (34-59) μεταξύ των οποίων περιλαμβάνονται 15 4α-μεθυλιωμένα στεροειδή. Οι ενώσεις 34, 35, 39, 41, 46 και 53 αποτελούν νέα φυσικά προϊόντα. Μεταξύ αυτών, οι μεταβολίτες 34 και 35 παρουσιάζουν τον σπάνιο σκελετό 4-μεθυλο-8,9-σεκο-χολαστανίου. Η κυτταροτοξική, η αντιφλεγμονώδης, η αντι-αγγειογενετική και η νευροπροστατευτική δράση των μεταβολιτών 36–40, 42–45, 47–53 και 55–59, καθώς και η επίδρασή τους στη μεταγραφή που ρυθμίζεται από τον ανδρογόνο υποδοχέα αξιολογήθηκε in vitro σε ανθρώπινες καρκινικές και φυσιολογικές κυτταρικές σειρές.