Βιοανόργανου ενδιαφέροντος σύμπλοκες ενώσεις του χαλκού και κοβαλτίου με ετεροληπτικούς υποκαταστάτες θειένυλο-καρβοξυλικά οξέα/Ν-δότες/δότες τύπου τρίποδα

Abstract

In the context of this thesis, the design, synthesis and physicochemical characterization of new heterolepticCu(II), Co(II) and mixed-valence Co(II)/Co(III) complexes of different nuclearity with the biologically interesting 2-thienyl-carboxylate, N-donors and tripodal ligands was achieved. The new heteroleptic as well as their respective homoleptic complexes were evaluated for their biological behavior. The flexibility and multiplicity of the mode of substitution of the selected ligands in combination with the case-by-case designed synthesis resulted in the formation of sixteen heterolepticCu(II) complexes, five Co(II) complexes and three mixed-valence Co(II)/Co(III) complexes with small and larger variations in their structure. The physicochemical study of the complexes includes measurements such as infrared, ultraviolet-visible, fluorescence/luminescenceand electron paramagnetic resonance spectroscopy, elemental analysis, magnetic measurements at room temperature as well as varying temperatures, molecular conductivity measurements, liquid chromatography-mass spectrometry. Crystal structure of eleven complexes was solved by X-ray crystallography.The biological behavior of the complexes was studied for their interaction with CT-DNA by ultraviolet, fluorescence/luminescence spectroscopy and viscosity measurments. The results showed that the complexes containing thienyl-carboxylate ligand interact with the DNA mainly by groove binding mode and exhibiting relatively low binding constants, which is attributed to the selectivity of the ligand and their guidance in the grooves by the sulfur atoms of the thiophene rings. The hydrogen bonds due to the water molecules of the structures seems to lead to stabilization. Other parameters, such as complex charge in solution and/or steric hindrances, may result in a change in the mode of interaction. The entry of N-donors, mainly, or triethanolamine into the heteroleptic complexes leads to an increase in DNA binding constant. The in vitro studies for the antioxidant/anti-inflammatory activity of the complexes, include: a) interaction with 1,1-diphenyl-2-picryl-hydrazyl (DPPH) stable free radical, b) inhibition of lipid peroxidation and c) soybean lipoxygenase inhibition (LOX). Most of the complexes inhibit moderate to very strong lipid peroxidation and soybean lipoxygenase while exhibiting no or low interaction with DPPH. The effect of the presence of water molecules and their ability to form hydrogen bonds, which was confirmed by docking studies of LOX inhibition, is important. The same theoretical studies also show the effect of hydrogen bonds through the sulfurs empty σ* orbital of the thiophene rings, demonstrating the importance of thienyl-carboxylate as ligand. Copper complexes were studied for their cytotoxicity against a variety of human cancer and normal cell lines. For complexes exhibiting strong cytotoxic activity, further studies were carried out in order to investigate the nature of cell death as well as cell cycle analysis. The results were particularly promising with the dinuclearheteroleptic copper complexes, with thienyl-carboxylates and N-donors, exhibiting comparable or even better cytotoxic activity than the known chemotherapeutic complex cisplatin by apoptotic mechanism and by specific type of cell cycle inhibition. The concurrent moderate to strong ability to inhibit LOX and lipid peroxidation for these complexes as well as their relative high DNA binding constants indicate a possible correlation between the four actions. The effect of N-donors, triethanolamine and hydrogen bonds is also important in cytotoxicity results.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε ο σχεδιασμός, η σύνθεση και ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός διαφορετικής πυρηνικότητας νέων ετεροληπτικών συμπλόκων του Cu(II), Co(II) και μικτού σθένους Co(II)/Co(IIΙ) με βιολογικού ενδιαφέροντος υποκαταστάτες, μέλη των ομάδων των θειένυλο-καρβοξυλικών οξέων, Ν-δοτών και υποκαταστατών τύπου «τρίποδα». Τα νέα ετεροληπτικά σύμπλοκα που προέκυψαν και τα αντίστοιχα ομοληπτικά αξιολογήθηκαν ως προς τη βιολογική τους συμπεριφορά. Η ευελιξία και η πολλαπλότητα του τρόπου συναρμογής των υποκαταστατών που επιλέχθηκαν σε συνδυασμό με την καθοδηγούμενη κατά περίπτωση σύνθεση οδήγησε στο σχηματισμό δεκαέξι ετεροληπτικών συμπλόκων του Cu(II), πέντε του Co(II) και τριών μικτού σθένους Co(II)/Co(IIΙ) συμπλόκων με μικρές και μεγαλύτερες διαφοροποιήσεις στη δομή. Η φυσικοχημική μελέτη των συμπλόκων περιλαμβάνει μετρήσεις με φασματοσκοπία υπερύθρου, υπεριώδους-ορατού, φθορισμού/φωταύγειας, ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού, στοιχειακές αναλύσεις, μαγνητικές μετρήσεις σε θερμοκρασία δωματίου και μεταβαλλόμενες θερμοκρασίες, μετρήσεις μοριακής αγωγιμότητας, υγρή χρωματογραφία-φασματοφωτομετρία μάζας. Επίσης, επιλύθηκε η κρυσταλλική δομή για έντεκα σύμπλοκα με κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ.Η βιολογική συμπεριφορά των συμπλόκων μελετήθηκε ως προς την αλληλεπίδρασή με το CT-DNA με φασματοσκοπία υπεριώδους, φθορισμού/φωταύγειας και ιξωδομετρία. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα σύμπλοκα με θειένυλο-καρβοξυλικούς υποκαταστάτες αλληλεπιδρούν με το DNA κυρίως μέσω συναρμογής στις αύλακες και εμφανίζουν σχετικά χαμηλές τιμές σταθεράς σύνδεσης, γεγονός που αποδίδεται στην εκλεκτικότητα του υποκαταστάτη και στην καθοδήγηση τους στις αύλακες από τα άτομα θείου των θειοφαινικών δακτυλίων. Δεσμοί υδρογόνου από τα συναρμοσμένα μόρια νερού φαίνεται να σταθεροποιούν αυτή την κατάσταση. Άλλες παράμετροι είναι δυνατόν να επιφέρουν αλλαγή στον τρόπο αλληλεπίδρασης. Η είσοδος των Ν-δοτών και λιγότερο της τριαιθανολαμίνης στα ετεροληπτικά σύμπλοκα οδηγεί στην αύξηση της σταθεράς σύνδεσης με το DNA. Η invitro μελέτη για την αντιοξειδωτική/αντιφλεγμονώδη δράση των συμπλόκων περιλαμβάνει δοκιμές α) έναντι της σταθερής ελεύθερης 1,1΄-διφαινυλο-2-πικρυλυδραζυλικής ρίζας (DPPH) και ως προς την ικανότητα αναστολής β) της λιπιδικής υπεροξείδωσης που επάγεται από το 2,2΄-διαζω-(2-αμιδινοπροπάνιο)διϋδροχλωρικό άλας (ΑΑΡΗ) και γ) του ενζύμου λιποξυγονάση φυτικής προέλευσης (LOX). Τα περισσότερα σύμπλοκα αναστέλλουν μέτρια έως πολύ ισχυρά τη λιπιδική υπεροξείδωση και τη LOX. Σημαντική είναι η επίδραση της παρουσίας μορίων νερού στη σφαίρα συναρμογής και η δυνατότητα σχηματισμού δεσμών υδρογόνου, που επιβεβαιώθηκε με μελέτες μοριακής μοντελοποίησης για την αναστολή της LOX.Οι ίδιες μελέτες δείχνουν την επίδραση δεσμών υδρογόνου μέσω των κενών σ*τροχιακών των ατόμων θείου των θειοφαινικών δακτυλίων, αναδεικνύοντας την σημασία των θειένυλο-καρβοξυλικών υποκαταστατών. Ο έλεγχος της κυτταροτοξικότητας των συμπλόκων του χαλκού πραγματοποιήθηκε σε μια πληθώρα ανθρώπινων καρκινικών και φυσιολογικώνκυτταρικών σειρών. Για τα σύμπλοκα που εμφάνισαν ισχυρή κυτταροτοξική δράση πραγματοποιήθηκαν περαιτέρω μελέτες προκειμένου να διερευνηθεί η φύση του κυτταρικού θανάτου και οι μεταβολές του κυτταρικού κύκλου. Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα ελπιδοφόρα με τα διπυρηνικά ετεροληπτικά σύμπλοκα του χαλκού, με θειένυλο-καρβοξυλικούς υποκαταστάτες και Ν-δότες, να εμφανίζουν συγκρίσιμη ή και καλύτερη κυτταροτοξική δράση από το γνωστό χημειοθεραπευτικό σύμπλοκο cisplatin μέσω αποπτωτικού μηχανισμού και με ειδικού τύπου αναστολή του κυτταρικού κύκλου. Η ταυτόχρονη μέτρια έως και ισχυρή ικανότητα αναστολής της LOX και της λιπιδικής υπεροξείδωσης για τα σύμπλοκα αυτά καθώς και οι σχετικά μεγάλες σταθερές σύνδεσής τους με το DNA υποδεικνύουν πιθανή συσχέτιση μεταξύ των τεσσάρων δράσεων. Η επίδραση των Ν-δοτών, της τριαιθανολαμίνης και των δεσμών υδρογόνου επιβεβαιώνεται και στην περίπτωση της κυτταροτοξικότητας.