Θεωρητική διερεύνηση της βιοδραστικότητας μιας σειράς αντικαρκινικών συμπλόκων του Cu(II): μελέτη της συνδυαστικής τους δράσης

Abstract

In an attempt to understand the molecular basis of the drug action of copper(II) chelate complexes, we studied theoretically their chemical interactions involved in the complex processes of drug delivery and their reactions with a variety of biological molecules. We have developed and focused on the theoretical study of copper(II) chelate complexes of the formula Cu(SalNEt2)-Y, where SalNEt2 stands for the anion of the N-(2-(diethylamino)ethyl)-salicylidenaminato and Y for the anion of a monocarboxylic or bicarboxylic acid. These complexes have shown a potent cytotoxic activity against a panel of human cancer cell lines. Quantum-chemical calculations performed by density functional theory, demonstrate that the mechanism of the cellular damage can be explained, at least in part, by the ability of the nucleobases and amino acides to nucleophilic attack the complexes. It was also verified through molecular docking studies the hypothesis that the mechanism of action of these complexes involves the binding to DNA, RNA and also the inhibition of DNA topoisomerases I and II. We explored the interactions between the complexes and the possible binding sites of proteins in order to explain the inhibition and through molecular modeling we stepped forward to build new molecules with advanced properties.We also tried to determine whether the combined effect of the complexes with common anticancer drugs and natural inhibitors of the DNA topoisomerases I and II results to either synergism or antagonism. Finally, some applications referring to the prevention and cancer treatment are described. These applications involve the development of drug delivery systems with minerals as carriers and the improvement of the cytotoxicity determination method based on sulforhodamine.

Σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη του μηχανισμού κυτταροστατικής δράσης με τεχνικές μοριακής προσάραξης και μοριακής μοντελοποίησης μιας σειράς συμπλόκων του Cu(II) με τριδοτικές ΟΝΝ-βάσεις του Schiff και καρβοξυλικά οξέα ως ligand, του τύπου Cu(SalNEt2)Y, όπου SalΝEt2 είναι το ανιόν της Ν-(2-διαιθυλαμινο)αιθυλο)σαλικυλιμίνης και Υ το ανιόν ενός μονοκαρβονικού ή δικαρβονικού οξέος. Ως υποκαταστάτες Υ χρησιμοποιήθηκαν τα ανιόντα των οξέων σαλικυλικό, βενζοϊκό, 3-Cl-βενζοϊκό, 4-Cl-βενζοϊκό, 4-ΝΟ2-βενζοϊκό, 4-ΟΗ-βενζοϊκό, 4-μεθυλαμινο-βενζοϊκό, τρυγικό, μηλεϊκό, φουμαρικό, κιτρικό, πιπεριδινικό, διπικολινικό, βεταϊνικό, γαλακτικό, πιβαλικό, οξικό, φαινυλοξικό, γλυκινικό, τρυγικό, νικοτινικό, ισονικοτινικό, μηλονικό, οξαλικό, 2-ανισοϊκό, 4-ανισοϊκό, ισοφθαλικό, πικολινικό, 4-τολουικό, τερεφθαλικό και χλώριο. Τελικός στόχος της μελέτης αυτής ήταν ο σχεδιασμός νέων κυτταροστατικών φαρμάκων με βελτιωμένη δράση και μειωμένες παρενέργειεςΗ μελέτη της βιοδραστικότητας in vitro των παραπάνω συμπλόκων σε καρκινικά κύτταρα έδειξε ότι σε μικρομοριακές συγκεντρώσεις προκαλούν αναστολή της κυτταρικής ανάπτυξης, αποπτωτικό κυτταρικό θάνατο με κατάτμηση του DNA και αναχαίτιση των κυττάρων στον κυτταρικό κύκλο. Ο μηχανισμός της κυτταρικής αυτής βλάβης μπορεί να εξηγηθεί μερικώς από την ικανότητα των νουκλεοβάσεων και των αμινοξέων να προσβάλλουν πυρηνόφιλα τα σύμπλοκα. Ειδικότερα, προκειμένου να διερευνηθεί ο μηχανισμός της βιολογικής τους δράσης εκτελέστηκαν κβαντοχημικοί υπολογισμοί με τη μέθοδο DFT στα επίπεδα PW91 και B3LYP με σύνολα βάσης DZVP και 6-31G* αντίστοιχα οι οποίοι είχαν σαν στόχο τη διευκρίνιση της μοριακής και ηλεκτρονικής τους δομής καθώς και τη μελέτη των δεσμικών τους ιδιοτήτων προκειμένου να προσδιορισθούν οι θέσεις της ηλεκτρονιόφιλης ή πυρηνόφιλης προσβολής. Επίσης με την τεχνική της μοριακής προσάραξης εντοπίστηκαν οι πιθανές αλληλεπιδράσεις των παραγώγων με τις νουκλεοβάσεις και τα αμινοξέα καρκινικών πρωτεϊνών, της DNA τοποϊσομεράσης Ι και ΙΙ. Τέλος με μεθοδολογίες μοριακής μοντελοποίησης διερευνήθηκε η συναρμογή των συμπλόκων με μακρομόρια των παραπάνω πρωτεϊνών, η οποία φαίνεται να οδηγεί στην αναστολή της αύξησής τους. Διερευνήθηκε επίσης η βιολογική δράση των 30 συμπλόκων Cu(II) σε συνδυασμό με γνωστές χημειοθεραπευτικές ουσίες (σισπλατίνη, επιρουβικίνη, μιτομυκίνη C, μπλεομυκίνη, καρμποπλατίνη, 5-φθοριοουρακίλη, πακλιταξέλη και κυκλοφωσφαμίδη) αλλά και με τους αναστολείς των τοποϊσομερασών, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μοριακής προσάραξης με σκοπό να διευκρινιστεί η πιθανή συνέργεια ή ο ανταγωνισμός από την ταυτόχρονη χορήγηση φαρμάκου – συμπλόκου. Τέλος, παρουσιάστηκαν εφαρμογές της τεχνικής της μοριακής προσάραξης που σχετίζονται με τη θεραπεία του καρκίνου. Οι εφαρμογές αυτές αφορούν την ανάπτυξη συστημάτων μεταφοράς αντικαρκινικών φαρμάκων με φορείς ουσιών ορυκτές ύλες καθώς και τη βελτίωση της μεθόδου προσδιορισμού της κυτταροτοξικότητας και κυτταρικού θανάτου, η οποία βασίζεται στη χρωστική σουλφοροδαμίνη.