Δομική ειδοκατανομή στη μελέτη βαναδο-φαρμακευτικών υλικών με ινσουλινομιμητική και αντικαρκινική δράση

Abstract

The aim of this study is to delve into and delineate the interactions between vanadium, on one hand, and zwitterionic targets (e.g. glycine and amino acids) on the other hand, as such interactions at the binary and ternary level may influence the onset and progression of cancer and diabetes. The implementation of this research effort is based on the study of binary and ternary systems of vanadium with trigonelline, trimethyl-glycine, N,N-dimethyl-glycine, N-methyl-glycine and betaine ligands of low molecular mass. The rational design and pH-dependent synthetic efforts are key aspects in the isolation and physicochemical characterization of a plethora of newly synthesized novel compounds in the solid state and in solution. Poised to investigate the association of vanadium with physiological substrates in materials capable of exerting anticancer biological activity, pH-specific synthetic chemical reactivity between vanadium and betaine/trigonelline in aqueous and mixed organic-aqueous media led to the isolation of three new binary composite materials, namely K2[(MeN(+)C5H4COOH)2][V10O28H2].2H2O (1-methylpyridinium-3-carboxylate) or (trigonelline), [(H2N(+)Me2)4]4+[V10O28H2]4-[Me3N(+)CH2COO(-)]2, and [(Me3N(+)CH2COOH)4]4+[V10O28H2]4-[Me3N(+)CH2COO(-)]2.2H2O. The title compounds were characterized by elemental analysis, UV/Visible, FT-IR, cyclic voltammetry, TGA-DTG, luminescence and X-ray crystallography. Spectroscopic, structural and electrochemical characterization techniques and biological studies on K2[(MeN(+)C5H4COOH)2][V10O28H2].2H2O and [(Me3N(+)CH2COOH)4]4+[V10O28H2]4-[Me3N(+)CH2COO(-)]2.2H2O reveal a) the unique properties of the variably crystallized polyoxovanadate-betaine binary lattice structures, and b) attest to their potential as support carriers of pharmacological significance in anticancer activity. In an effort to understand the ternary vanadium−H2O2−ligand interactions relevant to that metal ion’s biological role, synthetic efforts were launched involving the physiological ligands betaine (Me3N+CH2CO2−) and H2O2. In a pH-specific fashion, V2O5, betaine, and H2O2 reacted and afforded new, unusual, and unique compounds, consistent with the molecular formulation {Na2[V2O2(O2)4{(CH3)3NCH2CO2}2]}n·4nH2O and (NH4)2[V2O2(O2)4{(CH3)3NCH2CO2)}].0.75H2O. Both complexes were characterized by elemental analysis, UV/Visible, FT-IR, Raman, and NMR spectroscopy in solution and the solid state, cyclic voltammetry, TGA-DTG, and X-ray crystallography. In this regard, the physicochemical properties of variable nature and structure binary vanadium−tetraperoxido species interacting with betaine ligands could be modulated, providing finely-tuned soluble and potentially bioavailable forms of vanadium capable of promoting further complex interactions with higher molecular mass biomolecules. Such ternary interactions reflect adequately the complexity of vanadium reactivity patterns that might be responsible for initiating or promoting diverse yet distinct events in signal transduction pathways linked to insulin mimesis or antitumorigenesis.The results of this study show for the first time that vanadium-peroxido species induces breast cancer cell death by induction of ROS-related apoptosis and via inhibition of the H-ras signaling pathway, as shown by a decrease in p21 protein expression levels. In addition, administration of vanadium, decreased MMP-2 indicating that vanadium is a powerful candidate as a potential therapeutic against breast cancer. The findings reveal that vanadium significantly decreased MCF-7 cancer cell viability. Vanadium-induced breast cancer cell death was mediated by an induction of apoptosis.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής έρευνας ενέχει μελέτες της συμμετοχής του βαναδίου σε ποικίλες αβιοτικές εφαρμογές και βιολογικά συστήματα, η οποία έχει αποδειχτεί κατά τις τελευταίες δεκαετίες και δίνει ώθηση σε σημαντικές ερευνητικές δραστηριότητες, οι οποίες στοχεύουν στη σκιαγράφηση του ρόλου και της βιολογικής του δράσης.Έτσι, στόχος είναι να γίνουν συνθετικές μελέτες που αφορούν δυαδικά βαναδιο-ligand και τριαδικά βαναδιο-υπεροξο-ligand συστήματα ώστε να προκύψει λεπτομερής κατανομή των ειδών που υπάρχουν κάτω από τις προηγουμένως καθορισμένες συνθήκες. Συνεπώς, πρόκειται για μια προσπάθεια εμβάθυνσης στην υδατική ειδοκατανομή τέτοιων συστημάτων, όπως του τριαδικού συστήματος βαναδιο-υπεροξο-βεταΐνη, ώστε να ανακαλυφθούν όλες οι συναφείς φασματοσκοπικές και δομικές ιδιότητές τους στην ειδοκατανομή και στη βιολογική ινσουλινομιμητική δραστικότητα. Στο πλαίσιο μιας τέτοιας ολοκληρωμένης μελέτης, αναπτύσσονται στην εργασία αυτή συνθετικές προσπάθειες που στοχεύουν στην pH-εξαρτώμενη σύνθεση και απομόνωση των νέων βαναδιο-υπεροξο-βεταΐνη συμπλόκων και στο φυσικοχημικό και βιολογικό χαρακτηρισμό τους. Στο πειραματικό μέρος της εργασία αυτής παρουσιάζονται: 1.Ο τρόπος που συντέθηκαν τρεις νέες V(V)–πολυοξο-βεταΐνη ενώσεις. Η πρώτη είναι η Κ2(H8V10O30)(C7H7NO2)2, η οποία κρυσταλλώθηκε παρουσία (C7H7NO2) (N-methylpyridinium-3-carboxylate) ή (trigonelline) σε ιδιαίτερα όξινο υδατικό περιβάλλον. Η δεύτερη είναι η [V10O28H2]4-[(H2NMe2)4]4+[Me3N(+)CH2COO(-)]2, η οποία κρυσταλλώθηκε παρουσία του (C5H11NO2) ((carboxymethyl)trimethylammonium) ή (betaine) σε πολύ βασικό υδατικό μέσο, με ανάμειξη με οργανικό διαλύτη αμίνη κάτω από υδροθερμικές συνθήκες. Τέλος, η τρίτη είναι η [V10O28H2]4-(Me3N(+)CH2COO(-))2[(Me3N(+)CH2COOH)4]4+ . 2H2O, η οπoία συντέθηκε παρουσία του (C5H11NO2) σε όξινο υδατικό περιβάλλον (pH 4) και κρυσταλλώθηκε με διαλύτη αιθανόλη στους 4 οC. Παραδόξως, σε αυτά τα τρία σύμπλοκα, το βανάδιο εμφανίζεται με την πλήρως οξειδωμένη κατάσταση πέντε V(V) και το χρώμα των κρυστάλλων είναι πορτοκαλί-κόκκινο.2.Ο τρόπος που σχεδιάστηκαν και συντέθηκαν δύο νέες V(V)-υπεροξο-βεταΐνη ενώσεις. Η πρώτη είναι η {Na2[V2O2(O2)4{(CH3)3NCH2CO2}2]}n·4nH2O. Αυτή η ένωση συντέθηκε παρουσία της τριμεθυλογλυκίνης σε υδατικό περιβάλλον (pH=5.5-6) και κρυσταλλώθηκε μέσω της μεθόδου επιστρωμάτωσης με διαλύτη αιθανόλη στους 4 οC. Σε αυτό το υλικό, το βανάδιο εμφανίζεται με την πλήρως οξειδωμένη κατάσταση V(V) και το χρώμα των κρυστάλλων είναι κίτρινο. Πρόκειται για ένα πολυμερές το οποίο παρουσιάζει ασυνήθιστη για την κατηγορία του μεγάλη σταθερότητα. Η δεύτερη ένωση είναι η {Na2[V2O2(O2)4{(CH3)3NCH2CO2}2]}n·4nH2O3.Ο τρόπος που μελετήθηκε βιολογικά η ένωση V(V)-υπεροξο-βεταΐνη (L), με μοριακό τύπο Na2[V2(O2)4O2L2], όπου L = Me3N(+)-CH2-COO(-). Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν τα εξής πειράματα: α) Πολλαπλασιασμό (κύτταρα MCF-7) – κυτοστατικότητα, β) Κυτταρική βιωσιμότητα, γ) Απόπτωση (Caspase-3), δ) Western blot (αντισώματα για μόρια-στόχους, p21, TNF-α, NF-κB), ε) Δραστικές Μορφές Οξυγόνου (ROS). Τα πειράματα επιβεβαίωσαν τη δραστικότητα και μηχανιστική συμβολή του συγκεκριμένου μεταλλοϊόντος στην καταστολή της καρκινογένεσης. 4.Ο τρόπος που συντέθηκαν τέσσερις ακόμη ενώσεις, οι οποίες είναι οι εξής: α) K2[V2(Ο2)4O2(N-methylglycinato)].H2O, β) (NH4)2[V2(Ο2)4O2(N-methylglycinato)]. H2O, γ) K2[V2(Ο2)4O2(N,N-dimethylglycinato)] H2O και δ) (NH4)2[V2(Ο2)4O2(N-methylglycinato)] . 0.75H2O. Τα πειράματα αυτά θα επιβεβαιώσουν ή όχι την δραστικότητα και μηχανιστική συμβολή του συγκεκριμένου μεταλλοϊόντος είτε στην καταστολή της καρκινογένεσης είτε στην ινσουλινομιμητική του δράση.