Σύνθεση και φαρμακοχημική μελέτη ετεροκυκλικών ενώσεων (χαλκονών και παραγώγων) με πιθανή αντιφλεγμονώδη, αντιοξειδωτική, αντικαρκινική δράση: εφαρμογή της μεθοδολογίας QSAR

Abstract

Epidemiological and experimental studies have established the functional relationship between cancer and inflammation. Chronic inflammation increases the risk in various types of cancer. Inflammatory mediators are present in the microenvironment of many tumors. Furthermore the use of non-steroidal anti-inflammatory drugs reduces the incidence of certain types of cancer. The molecular mechanisms responsible for this functional relationship have not been fully elucidated yet, but several protein factors seem to play significant role, including lipoxygenase (LOX), aldose reductase (ALR2) and transcription factor NF-κB. Scope of this thesis is the synthesis of new hybrids, multitarget compounds (and new pharmacophores) with anticancer and anti-inflammatory activities. Chalcones are α, β-unsaturated ketones and precursors in the biosynthesis of flavonoids. In the present study it has been synthesized a series of hybrid compounds containing: chalcone and 4-hydroxycoumarin (MAD and KAM) moieties, combined via a Michael reaction. For the rational design of active molecules, docking simulations studies and 2D-QSAR study are used for the design of new LOX inhibitors and for anticancer activity respectively. Structure activity relationship studies have been performed for the synthesis of a series of bis-substituted 4-hydroxycoumarin derivatives (NA). Compounds were evaluated for their ability to inhibit soybean lipoxygenase. The antiproliferative activity was tested in three different cancer cell lines. 4-hydroxycoumarin and similar compounds inhibit ALR2 in preliminary studies. All coumarin derivatives showed mild antiproliferative activity. MAD7 presented the strongest inhibitory effect against LOX (IC50 7 μm), inhibited ALR2 (22 % at 100mM) and carragenin induced rat paw edema (60%). MAD1 inhibited LOX (IC50 43 mM), ALR2 (71% at 100mM) and presented in vivo 56 % antiinflammatory activity. Docking simulation studies were used to elucidate their binding mode. Curcumin is a multifunctional compound. Due to its low bioavailability and low solubility, has not been approved by the FDA. In order to improve its properties and its biological activity, a series of derivatives and analogues have been synthesized and reported in literature. Since the presence of heterocyclic groups is associated with strong anti-inflammatory and anticancer activity, we synthesized a series of monoketone analogues of curcumin (BAT), incorporating heterocyclic groups via an aldol condensation between 4-piperidone hydrochloride and an appropriate substituted aldehyde. It has been reported that curcumin and its analogues have the ability to interact with LOX, ALR2 and NF-κB. BAT analogues were evaluated against the above targets. Compounds BAT1, 3, 8 and 1-ACR showed strong antiproliferative activity, with BAT1-ACR to present GI50 value at 0.6 μΜ (SF268 cell line). BAT1 was the most potent inhibitor of LOX (IC50 37 μΜ) and ALR2 (70.6 % at 100mM). BAT1, 3 (IC50 6 μM) and 8 inhibited the transcriptional activation of NF-κB and BAT3 prevented the NF-κB binding on DNA and repressed the transcriptional activation of IL-6, MCP-1 and A20 genes.Compounds have been identified by spectroscopical data, elemental analysis and chromatography. The presence of naphthyl-group in both series of compounds is associated with higher biological activity and might consist a part of the pharmacophore. The rational design is confirmed by the experimental results.

Επιδημιολογικές και πειραματικές μελέτες υποστηρίζουν τη λειτουργική σχέση μεταξύ καρκίνου και φλεγμονής. Καταστάσεις χρόνιας φλεγμονής αυξάνουν την πιθανότητα εμφάνισης διαφόρων τύπου καρκίνου αλλά και διάφοροι μεσολαβητές της φλεγμονής είναι παρόντες στο μικροπεριβάλλον πολλών όγκων. Η χρήση μη στεροειδών αντιφλεγμονωδών φαρμάκων μειώνει την πιθανότητα εμφάνισης συγκεκριμένων τύπων καρκίνου. Οι μοριακοί μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για αυτή τη λειτουργική σχέση, δεν έχουν πλήρως διευκρινιστεί, εντούτοις διάφοροι πρωτεϊνικοί παράγοντες φαίνεται να παίζουν ρόλο, μεταξύ των οποίων η λιποξυγονάση (LOX), η αναγωγάση της αλδόζης (ALR2) και ο μεταγραφικός παράγοντας NF-κΒ. Κύριος σκοπός της παρούσας διατριβής αποτελεί η σύνθεση νέων μορίων (και νέων φαρμακοφόρων ομάδων) που να διαθέτουν αντικαρκινική και αντιφλεγμονώδη δράση. Τα τελευταία χρόνια πραγματοποιήθηκε μεγάλη πρόοδος στη σύνθεση πολυλειτουργικών υβριδικών μορίων. Οι χαλκόνες είναι α,β-ακόρεστες κετόνες, πρόδρομες στη βιοσύνθεση των φλαβονοειδών. Στην παρούσα διατριβή συντίθενται υβριδικά μόρια χαλκονών και 4-υδροξυκουμαρίνης (ΜΑD και KAM) μέσω αντίδρασης Michael. Για τον ορθολογικό σχεδιασμό δραστικών μορίων αναστολέων της LOX και για μελέτη της αντικαρκινικής δράσης χρησιμοποιούνται μελέτες πρόσδεσης και 2D-QSAR. Ταυτόχρονα στα πλαίσια σχέσης-δομής δράσης, συντίθενται δις-υποκατεστημένα παραγώγα 4-υδροξυκουμαρίνης (ΝΑ). Οι ενώσεις μελετώνται για την ικανότητά τους να αναστέλλουν τη φυτική λιποξυγονάση και για την αντιπολλαπλασιαστική τους ικανότητα σε τρεις κυτταρικές σειρές. ‘Ολα τα κουμαρινικά παράγωγα εμφανίζουν ήπια αντιπολλαπλασιαστική δράση. Επειδή η 4-υδροξυκουμαρίνη και παρόμοιες ενώσεις αναστέλλουν την ALR2, εφαρμόζουμε προκαταρκτικό έλεγχο δραστικότητας. Η ένωση MAD7 παρουσιάζει την ισχυρότερη ανασταλτική δράση στη LOX ΙC50 7μΜ, αναστέλλοντας την ALR2 σε ποσοστό 22% στα 100μΜ και προκαλώντας τη μεγαλύτερη αναστολή (60%) του οιδήματος από καραγενίνη. Η ένωση MAD1 αναστέλλει τη LOX ΙC50 43μΜ, έχει την ισχυρότερη ανασταλτική δράση στην ALR2 (71% στα 100μΜ) και προκαλεί 56% αναστολή οιδήματος. Τα αποτελέσματα αναστολής εξηγούνται με μελέτες μοριακής πρόσδεσης. Η κουρκουμίνη είναι μια πολυλειτουργική ένωση που λόγω της χαμηλής βιοδιαθεσιμότητάς και διαλυτότητάς της δεν έχει εγκριθεί ως φαρμακευτικό σκεύασμα. Για τη βελτίωση αυτών των ιδιοτήτων έχουν συντεθεί μια σειρά από παράγωγα και ανάλογα. Επειδή η παρουσία ετεροκυκλικών ομάδων έχει βρεθεί να σχετίζεται με ισχυρή αντιφλεγμονώδη και αντικαρκινική δράση συντίθεται μια ομάδα μονοκετονικών αναλόγων κουρκουμίνης, που φέρουν στο μόριο τους ετεροκυκλικές ομάδες (ΒΑΤ) με αλδολική συμπύκνωση της 4-υδροχλωρικής πιπεριδόνης και μιας κατάλληλα υποκατεστημένης αλδεΰδης. Η κουρκουμίνη και ανάλογά της έχουν δείξει ταυτόχρονα την ικανότητα να αλληλεπιδρούν με τη LOX, την ALR2 και τον NF-κΒ. Τα ανάλογα ΒΑΤ μελετώνται σε πειραματικά πρωτόκολλα in vitro και τα αποτελέσματα εξηγούνται με μελέτες μοριακής πρόσδεσης. Οι ενώσεις BAT1, 3, 8 και 1-ACR διαθέτουν ισχυρή αντιπολλαπλασιαστική δράση, με την ΒΑΤ1-ΑCR με GI50 0.6 μΜ (SF268). H BAT1 είναι ο πιο ισχυρός αναστολέας της LOX και της ALR2 με 37 μΜ και 70.6 % (100μΜ) αντίστοιχα. Τα ανάλογα ΒΑΤ1, 3 (6μΜ) και 8 αναστέλλουν τη μεταγραφική ενεργοποίηση του NF-κΒ με τη BAT3 να εμποδίζει την πρόσδεση του NF-κΒ στο DNA και να καταστέλλει την μεταγραφική ενεργοποίηση των γονιδίων IL-6, ΜCP-1 και Α20. Οι ενώσεις ταυτοποιούνται με φασματοσκοπία, στοιχειακή ανάλυση και χρωματογραφικά. Γενικά η παρουσία της ναφθυλο-ομάδας και στις δύο ομάδες παραγώγων σχετίζεται με ισχυρότερη βιολογική δράση αποτελώντας πιθανόν μέρος της φαρμακοφόρου. Ο αρχικός σχεδιασμός επιβεβαιώνεται από τα πειραματικά αποτελέσματα.