Φωτοεπαγόμενη οξείδωση ολιγονουκλεοτιδίων (DNA) απο α-διιμινικά σύμπλοκα Re και Μο

Abstract

For many years, much attention has been focused on low molecular weight compounds able to bind to DNA and act as chemotherapeutic agents. On molecular basis, their cytotoxic effect originates from their interaction with the DNA double helix, often in a non-covalent way. This type of reversible interaction takes place in three primary ways: (i) surface binding which is generally non-specific and primarily electrostatic in origin, (ii) groove binding interactions, and (iii) intercalation of a planar or approximately planar aromatic ring system between base pairs. A large number of chiral metal complexes with α-diimine ligands as bpy or phen, have been shown to bind to DNA. In the cases of ruthenium, platinum and zink complexes) the phen ligand binds to the DNA groove. However, the majority of the complexes bind to DNA through intercalation of the ligand between the base pairs indicating that the ligand plays an important role on the binding mode type of the complex. Among the aforementioned metals, the ruthenium complexes are the most studied in their interactions with DNA and several investigations have proved that these complexes intercalate between the DNA base pairs through the minor or the major groove. In most of the studied complexes, the ligand was a rigid molecule consisting of fused aromatic six-membered systems derived mainly from 2,2-bipyridine or 1,10-phenathroline. In contrast, non-planar ligands that involve aromatic rings with free rotation, have been studied rather rarely. However, studies on oxorhenium (V) complexes incorporating such ligands and binding to DNA relatively rare and this provided the initial lead for us. Moreover, the chemistry of oxorhenium complexes arouses particular interest due the favourable nuclear properties of ¹⁸⁶Re and ¹⁸⁸Re nuclides. The latter are useful for diagnostic nuclear medicine and applications in radiochemiotherapy. On the other hand quinoxaline class of ligands, a different α-diimine type of ligands, interest in recent years. Their structure recognized in a great number of natural compounds such as riboflavin, molybdopterines etc. and can be used as antibacterial, antiviral, anticancer, antihelmintic and insecticidal agents. In this context, the design, synthesis and reactivity of a series of oxorhenium (V) complexes to DNA binding and cleave has become a challenge for us; thus herein, we describe the synthesis and characterization of two new complexes of oxorhenium (V) moiety, ReOC1₃pq, ReOC1³dppz. For comparison and a better understanding of their reactivity the complexes ReOC1³bpy, and ReOC1³phen, Pt(pq)C1₂, Pt(pq)(bdt)] and Mo(CO)₄pq, have also been synthesized and studied. The aforementioned compounds have been characterized with spectroscopic methods (FT-IR, 1D and 2D NMR, UV-Vis, CV) and elemental analysis. Ground-state electronic structure calculations of all compounds under investigation have been performed using density functional theory (DFT). The four donor atoms on Pt(II) complexes are not co-planar. The chelating coordination of the pq ligand introduces a strain in the molecule, which may result to the tetrahedral distortion of the coordination plane. The interaction of these compounds with calf thymus DNA has been investigated using circular dichroism spectroscopy (CD), DNA thermal denaturation analysis and CV measurements. Understanding the interactions between studied compounds and DNA may help to elucidate the mechanism of action of this important class of compounds. Our results reveal that all complexes can bind DNA and induce conformational transition of CT-DNA. Pt(II) complexes appear to be able to open the helix and change the base stacking, but the mechanism must be different due to the existence of the bdt ligand in complex. ReO(V) complexes bind to DNA by intercalation, with planar diimine (pq or dppz) ligands stacked in between the base pairs of the DNA. Τhe photocleavage reaction on calf thymus and bs-DNA has been investigated by CD and agarose gel electrophoresis. Remarkably, our results reveal that rhenium complexes can bind DNA with intercalation mode and can photocleave DNA. The unobserved photocleavage on Pt(II) complexes, in addition to CD results, implies that the type of distortion of the DNA adduct depends on the chelate size and its functionalization. Primary cytotoxicity tests indicated that complexes affects the SF-286 cancer cells.

Τα τελευταία χρόνια μεγάλο ενδιαφέρον έχει επικεντρωθεί στην εύρεση ενώσεων μικρού μοριακού βάρους ικανών να προσδένονται στο DNA, και να μπορούν να δράσουν ως χημειοθεραπευτικοί παράγοντες. Σε μοριακή βάση, η κυτταροτοξική δράση τους προκύπτει από τη σύνδεσή τους με τη διπλή έλικα του DNA και μάλιστα με μη ομοιοπολική σύνδεση. Αυτός ο τρόπος αλληλεπίδρασης μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρεις διαφορετικούς τρόπους. Μεγάλος αριθμός συμπλόκων στοιχείων μετάπτωσης με α-διιμινικούς υποκαταστάτες όπως η 2-2΄-διπυριδίνη και η 1,10-φαινανθρολίνη, έχει βρεθεί ότι αλληλεπιδρούν με το DNA. Σύμπλοκα του ρουθηνίου, του λευκοχρύσου και του ψευδαργύρου με την 1,10-φαινανθρολίνη συνδέονται με τη διπλή έλικα του DNA. Παρόλα αυτά, η πλειονότητα των συμπλόκων αλληλεπιδρούν με το DNA μέσω παρεμβολής του υποκαταστάτη ανάμεσα στα ζεύγη βάσεων, πράγμα που υποδηλώνει πως ο υποκαταστάτης παίζει σημαντικό ρόλο στο τρόπο σύνδεσης του συμπλόκου. Μεταξύ των προαναφερθέντων μετάλλων, σύμπλοκα του ρουθηνίου είναι τα πιο ευρέως μελετημένα για τις αλληλεπιδράσεις του με το DNA και πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι τα σύμπλοκα αυτά εισχωρούν ανάμεσα στα ζεύγη βάσεων της μικρής ή της μεγάλης αύλακας. Στα πιο μελετημένα σύμπλοκα, ο υποκαταστάτης αποτελείται από επίπεδους εξαμελείς συμπυκνωμένους αρωματικούς ισοκυκλικούς ή ετεροκυκλικούς δακτυλίους, παράγωγο της 2-2΄-διπυριδίνης ή της 1,10-φαινανθρολίνης. Αντίθετα, μη επίπεδοι αρωματικοί υποκαταστάτες, έχουν μελετηθεί ελάχιστα. Μελέτες συμπλόκων του οξορηνίου (V) με τέτοιους υποκαταστάτες, και η αλληλεπίδρασή τους με DNA και ολιγονουκλεοτίδια ελάχιστα έχουν μελετηθεί. Επιπλέον, η χημεία των συμπλόκων του οξορηνίου εμφανίζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω των ραδιοθεραπευτικών ιδιοτήτων των νουκλιδίων ¹⁸⁶Re και ¹⁸⁸Re. Τα τελευταία είναι ιδιαίτερα χρήσιμα στην πυρηνική ιατρική και βρίσκουν ευρεία εφαρμογή στη ραδιοχημειοθεραπεία. Από την άλλη μεριά, κινοξαλινικού τύπου υποκαταστάτες, ένας διαφορετικός τύπος α-διιμινικών υποκαταστατών, παρουσιάζουν ενδιαφέρον επίσης, τα τελευταία χρόνια. Η δομή τους εμφανίζεται σε πληθώρα φυσικών προϊόντων, όπως στις ριβοφλαβίνες, στις μολυβδοπτερίνες κτλ., και χρησιμοποιούνται ως αντιβακτηριακοί, αντιικοί και αντικαρκινικοί παράγοντες. Στην παρούσα διατριβή, ο σχεδιασμός, σύνθεση και η δραστικότητα σειράς συμπλόκων του οξορηνίου (V) ήταν πρόκληση για μας. Έτσι περιγράφονται, η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός σειράς συμπλόκων του οξορηνίου (V) με α-διιμινικούς υποκαταστάτες του γενικού τύπου ReOC1₃(α-διιμίνη). Για λόγους σύγκρισης και καλύτερης κατανόησης του μηχανισμού δράσης τους με το DNA πραγματοποιήθηκε επιπλέον σύνθεση και χαρακτηρισμός ορισμένων συμπλόκων του δισθενούς λευκοχρύσου [Pt(pq)C1₂ και Pt(pq)(bdt)] και του μολυβδαινίου [Mo(CO)₄pq]. Τα προαναφερθέντα σύμπλοκα χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπικές μεθόδους (FT-IR, 1D και 2D NMR, UV-Vis, CV) και στοιχειακή ανάλυση. Η ηλεκτρονική και κρυσταλλική δομή των συμπλόκων υπολογίστηκε με DFT και TD-DFT υπολογισμούς, από τους οποίους προέκυψε πως τα σύμπλοκα του Ρt(II) εμφανίζουν τετραεδρική παραμόρφωση, και ο διιμινικός υποκαταστάτης είναι μη επίπεδος, ενώ τα σύμπλοκα του οξορηνίου εμφανίζουν παραμορφωμένη οκταεδρική διάταξη έχοντας όμως απολύτως επίπεδο τον διιμινικό υποκαταστάτη. Η αλληλεπίδραση των συμπλόκων με φυσικό DNA από θύμο αδένα βοοειδούς μελετήθηκε με φασματοσκοπία κυκλικού διχρωισμού (CD), πειράματα θερμικής μετουσίωσης, κυκλική βολταμμετρία και ιξωδομετρία. Η αντίδραση φωτοδιάσπασης του DNA μελετήθηκε με ηλεκτροφόρηση πηκτής αγαρόζης και HPLC. Έτσι, για το μικτό α-διιμινο διθειολενικό σύμπλοκο του δισθενούς λευκοχρύσου, προέκυψε πως σε μικρούς λόγους παρεμβάλλονται στη μεγάλη αύλακα του DNA, ενώ σε μεγαλύτερους λόγους, λόγω της τετραεδρικής παραμόρφωσης του μορίου, αλλά και της μη επιπεδότητας του διιμινικού υποκαταστάτη, η αλληλεπίδραση του διθειολενικού υποκαταστάτη με τη μικρή αύλακα του DNA, με υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις είναι προφανής. Αντίθετα τα σύμπλοκα του οξορηνίου ReOC1₃(α-διιμίνη), παρεμβάλλονται μέσω του επίπεδου αρωματικού υποκαταστάτη τους, ανάμεσα στα ζεύγη βάσεων στη μεγάλη αύλακα του DNA, με αποτέλεσμα τη διόγκωση του μορίου. Επιπρόσθετα η μη παρατηρούμενη φωτοδιάσπαση με ορατό φως στην περίπτωση του Pt εν αντιθέσει με το Re συνηγορεί στο ότι η παρεμβολή πραγματοποιείται από τον επίπεδο διθειολενικό υποκαταστάτη και όχι από τη διιμίνη. Πρωταρχικά κυτταροτοξικά πειράματα έδειξαν πως τα σύμπλοκα Pt και Re αλληλεπιδρούν με καρκινικά κύτταρα, και μάλιστα, σε ορισμένες από τις σειρές κυττάρων η κυτταροτοξικότητα είναι στα επίπεδα αυτής της cisplatin.