Νέα βιοδραστικά ανάλογα φυσικών προϊόντων και μελέτη εγκλεισμού τους σε βιοδιασπώμενα πολυμερή

Abstract

The aim of the present doctoral thesis was initially the development of a "bioinspired chemical library" of novel, synthetic analogues of the coumarin family. The structurally modified analogues that showed promising in vitro biological activity were then encapsulated in biodegradable carriers, thus expanding their application potential.In the present work, the design, synthesis and structural characterization of 100 coumarin derivatives was achieved, 80 of which are new in the literature. In particular, four series of coumarin derivatives A, B, C and D were designed. Series A consists of 4-methyl-umbelliferone analogues with hydroxy- or dihydroxy-substitution on the coumarin aromatic ring, which were synthesized via Pechmann condensation reaction using FeCl3 as a catalyst, making the process more environmentally friendly. Structural modifications by alkylation of the hydroxyl groups was undertaken in order to enrich Series A.Series B includes 5-or 7-acetyloxy-, hydroxy- and prenyloxy-derivatives possessing a phenyl-substituent at position 3 of the coumarin lactone ring as a common structural feature. Acetyloxy derivatives were synthesized by a modified Perkin-Oglialoro reaction and then the corresponding 5- or 7-hydroxy-3-phenyl-coumarin analogues were synthesized by removal of the acetyl group using hydrazine monohydrate. The prenyloxy derivatives of series B were obtained via Williamson ether synthesis using prenyl, geranyl- or farnesyl bromide in a basic environment.Series C was designed by combining two pharmacophore structures, namely coumarin and chalcone, leading to the formation of a hybrid coumarin-chalcone structure. The presence of a prenyloxy-substituent at position 7 of the coumarin aromatic ring enhances their novel character. The hybrid molecules bearing prenyloxy-substitution were synthesized in three steps via an optimized aldol condensation reaction. Series D comprises of coumarin-phenolic acid hybrid molecules. Their synthesis was carried out in order to investigate the effect of combining the antioxidant effect of phenolic acids and the activity of natural coumarins umbelliferone and 4-methyl umbelliferone, in biological activity. The desired hybrid molecules were synthesized following the development of a three-step synthesis methodology.The new derivatives were evaluated for their potential antioxidant activity through their ability to interact with free radical DPPH and their ability to inhibit lipid peroxidation (LP). The anti-inflammatory activity of the compounds was evaluated by their ability to inhibit the activity of the soybean lipoxygenase (LOX), an enzyme which in the human body is associated with the production of pro-inflammatory compounds such as leukotrienes.The cytotoxicity of the new coumarins was evaluated via the MTT assay using the human neuroblastoma cell line SK-N-SH, the human cervical epithelioid cell line HeLa, the human lung epithelioid cell line A549 and the breast epithelioid cell line MCF-7. The evaluation provided significant observations for the structure-activity relationship. A number of coumarin derivatives were efficient inhibitors of lipid peroxidation (80-100%) and showed significant LOX inhibitory activity (IC50 of 10-40 μM).A molecular docking simulation for soybean lipoxygenase was performed for the molecule with the best anti-inflammatory activity (IC50 10 μM). The results indicated that the molecule presents allosteric interactions with the enzyme. In addition, selected coumarin derivatives exhibited remarkable cytotoxicity against human neuroblastoma SK-N-SH and HeLa adenocarcinoma cell lines showing IC50 values from 1.8 μM to 13.6 μM. It is noted that three derivatives of Series B bearing a 3-phenyl-substituent with bromo- and methoxy groups as well as acetyl- or farnesyl-substitution exhibited a combined activity.The coumarin derivatives with the best biological activity have been successfully encapsulated in various biodegradable carriers in order to modify their physicochemical properties, such as water solubility, enhance and / or improve their biological activity, reduce undesirable side effects, and allow targeted and controlled release. The nanoparticles were structurally characterized using NMR (1H and 2D NMR) and FT-IR spectroscopy while the size and ζ-potential were determined with dynamic light scattering (DLS). The thermal properties of nanoparticles were studied by DSC and TGA techniques, and their morphology using Scanning Electron Microscopy (SEM) and fluorescence microscopy. Specifically, in the present doctoral thesis the encapsulation of the natural coumarins 4-methyl-umbelliferone and auraptene, as well as of selected derivatives from Series B having significant anti-inflammatory and cytotoxic activity, was performed. The encapsulation of lipophilic compounds from Series B using β-cyclodextrin as encapsulation carrier was successfully accomplished, as indicated by the characterization techniques.4-methyl umbelliferone was encapsulated in three different encapsulation carriers, namely poly (lactic) acid, poly (lactic-glycolic) acid (PLGA) and the oligosaccharide β-cyclodextrin. The size of the formed PLA and PLGA nanoparticles was 200 nm and 165 nm, respectively. The inclusion complex of 4-methyl-umbelliferone in β-cyclodextrin was structurally characterized by different techniques, and the release profile of the encapsulated substance from the β-cyclodextrin cavity was studied.The inclusion complex was then tested in vitro showing a combined antioxidant and anti-inflammatory activity (inhibition of LP: 100%, inhibition of LOX: IC50 10 μM activity while 4-methyl umbelliferone induces LP inhibition: 93% and is inactive against the enzyme) and its incorporation in pharmaceutical tablets was investigatedIn particular, β-cyclodextrin in the complex was one of the excipients while 4-methyl umbelliferone was the Active Pharmaceutical Ingredient (API). In order to determine the excipient proportions in the pharmaceutical tablets, preliminary experiments were initially carried out studying their mechanical properties, followed by Design of Experiments (DoE) (Mixture DoE) in order to determine the number of pharmaceutical tablets and the proportions of the excipients in them.In this doctoral thesis, the development of an appropriate method for the encapsulation of plant extracts and essential oils containing bioactive natural products was also achieved in order to protect them from oxidation and degradation, to increase their water solubility and to allow their controlled release. The bioactive olive leaf extract, Origanum onites L. and Mentha pulegium essential oil (EO) were encapsulated in PLA, β-cyclodextrin (β-CD) and yeast microparticles (Saccharomyces cerevisiae), respectively.The various nanoparticles were characterized using different characterization techniques (1H 1D & 2D NMR, FT-IR, DLS, DSC, TGA and SEM). Moreover, the release profile was studied, and the kinetic modeling of the release was carried out. Mentha pulegium EO was successfully encapsulated in non-toxic yeast cells (Saccharomyces cerevisiae) using a simple methodology based on passive diffusion. The essential oil Mentha pulegium was encapsulated in order to reduce its volatility, to increase its water solubility and to extend its insecticidal activity. Mentha pulegium essential oil and the formed yeast microparticles were evaluated as pesticide against the insect pest Myzus persicae. The evaluation revealed that the encapsulated EO had a stronger incesticidal effect than the non-encapsulated oil 72 h after treatment. This is a promising result indicating that the encapsulation methodologies used can substantially extend the bioactivity of the EO.The encapsulation of olive leaf extract in PLA nanoparticles leads to the formation of nanospheres with mean size of 246.3 nm, as was observed in SEM images. The formed nanoparticles possessed a significant antioxidant activity whereasthe release study revealed a "burst effect” in the first two hours.The inclusion complexes of β-CD with Origanum onites L. EO presented satisfactory size distribution (450 nm) and, as indicated by SEM, non-spherical morphology. SEM analysis also revealed that the β-CD – oregano EO inclusion complexes form agglomerates of different sizes, which is attributable to the tendency of cyclodextrins to agglomerate. The release profile was studied at various temperature and pH conditions following the same trend in all cases.

Με γνώμονα τους φυσικούς αντιοξειδωτικούς, αντιφλεγμονώδους και αντικαρκινικούς παράγοντες, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε αρχικά η ανάπτυξη μιας «χημικής βιβλιοθήκης» με νέα συνθετικά ανάλογα φυσικών προϊόντων της οικογένειας των κουμαρινών. Η «χημική βιβλιοθήκη» αναπτύχθηκε με σκοπό τη μελέτη της σχέσης δομής-βιολογικής δράσης. Τα δομικά τροποποιημένα ανάλογα που παρουσίασαν in vitro βιολογική δράση εγκλείστηκαν σε βιοδιασπώμενους φορείς, προσφέροντας τη δυνατότητα περαιτέρω αξιοποίησης τους.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιτεύχθηκε ο σχεδιασμός, η σύνθεση και ο δομικός χαρακτηρισμός 100 κουμαρινικών παραγώγων, η πλειοψηφία των οποίων είναι νέα στη βιβλιογραφία. Ο δομικός χαρακτηρισμός πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού NMR (1Η και 13C NMR) και φασματομετρία μάζας υψηλής ανάλυσης (HR-MS).Συγκεκριμένα, σχεδιάστηκαν τέσσερις Σειρές κουμαρινικών παραγώγων Α, Β, Γ και Δ. Η Σειρά Α αποτελείται από ανάλογα της 4-μεθυλο-ουμπελιφερόνης με υδροξυ- ή διυδροξυ-υποκατάσταση στον αρωματικό δακτύλιο της κουμαρίνης, τα οποία συντέθηκαν μέσω αντίδρασης Pechmann χωρίς τη χρήση οργανικών διαλυτών αλλά παρουσία FeCl3 καθιστώντας τη μέθοδο φιλικότερη προς το περιβάλλον. Η Σειρά εμπλουτίστηκε με δομική τροποποίηση στα υδροξύλια των θέσεων 7- ή/και 5 με την εισαγωγή αλκυλο-ομάδων οδηγώντας στα αλκοξυ- και στα διαλκοξυ-ανάλογά τους. Η Σειρά Β περιλαμβάνει 5-ή 7-ακετυλοξυ-, υδροξυ- και πρενυλοξυ- παράγωγα με κύριο δομικό χαρακτηριστικό το φαινυλο-υποκαταστάτη στη θέση 3 του λακτονικού δακτυλίου της κουμαρίνης. Τα ακετυλοξυ-παράγωγα συντέθηκαν μέσω τροποποιημένης αντίδρασης Perkin-Oglialoro και στη συνέχεια με απομάκρυνση της ακετυλο-ομάδας, χρησιμοποιώντας μονοένυδρη υδραζίνη, συντέθηκαν τα αντίστοιχα 5- ή 7-υδροξυ-3-φαινυλο-κουμαρινικά ανάλογα. Τα πρενυλοξυ-παράγωγα της Σειράς Β προέκυψαν ύστερα από αντίδραση Williamson χρησιμοποιώντας πρενυλο-, γερανυλο- ή φαρνεζυλο βρωμίδιο σε βασικό περιβάλλον. Η Σειρά Γ σχεδιάστηκε συνδυάζοντας τις φαρμακοφόρες δομές της κουμαρίνης και της χαλκόνης οδηγώντας στο σχηματισμό υβριδικής σκελετικής διάταξης κουμαρίνης-χαλκόνης, ενώ η παρουσία του πρενυλοξυ-υποκαταστάτη στην θέση 7 του αρωματικού δακτυλίου της κουμαρίνης ενισχύει τον καινοτόμο χαρακτήρα. Τα υβριδικά μόρια κουμαρινών-χαλκονών που φέρουν πρενυλοξυ-υποκατάσταση συντέθηκαν σε τρία στάδια ύστερα από διερεύνηση των συνθηκών της αντίδρασης αλδολικής συμπύκνωσης. Η Σειρά Δ αποτελείται επίσης από υβριδικά μόρια κουμαρινών-φαινολικών οξέων, η σύνθεση των οποίων πραγματοποιήθηκε προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση του συνδυασμού της αντιοξειδωτικής δράσης των φαινολικών οξέων που συναντώνται σε τρόφιμα και φρούτα και της δραστικότητας των φυσικών κουμαρινών ουμπελιφερόνη (3a) και 4-μεθυλο-ουμπελιφερόνη (3b), στην βιολογική δράση. Τα επιθυμητά υβριδικά μόρια συντέθηκαν ύστερα από ανάπτυξη μεθοδολογίας σύνθεσης τριών σταδίων.Για τα κουμαρινικά παράγωγα που συντέθηκαν μελετήθηκε στη συνέχεια η σχέση δομής – in vitro βιολογικής δράσης. Συγκεκριμένα, τα νέα παράγωγα αξιολογήθηκαν για την πιθανή αντιοξειδωτική τους δράση μέσω της ικανότητάς τους να αλληλεπιδρούν με την ελεύθερη ρίζα DPPH και την ικανότητα τους να αναστέλλουν τη λιπιδική υπεροξείδωση (LP). Η αντιφλεγμονώδης δράση των ενώσεων εκφράστηκε από την ικανότητά τους να αναστέλλουν τη δράση του ενζύμου λιποξυγονάση από σόγια (LOX), ένζυμο το οποίο στον ανθρώπινο οργανισμό σχετίζεται με την παραγωγή προφλεγμονωδών ενώσεων όπως είναι τα λευκοτριένια. Η κυτταροτοξικότητα των νέων κουμαρινών αξιολογήθηκε μέσω της δοκιμασίας ΜΤΤ χρησιμοποιώντας τις κυτταρικές σειρές καρκίνου ανθρώπινου νευροβλαστώματος (SK-N-SH), μήτρας (HeLa), πνεύμονα (A549) και μαστού (MCF-7). Από την αξιολόγηση προέκυψαν σημαντικά αποτελέσματα για τη σχέση δομής βιολογικής δράσης. Ορισμένα από τα παράγωγα παρουσίασαν σημαντική αντιοξειδωτική δράση, μέσω της ικανότητάς τους να αναστέλλουν την οξείδωση του λινελαϊκού οξέος (80-100%) και αξιόλογη ικανότητα αναστολής της LOX (IC50 10-40 μΜ). Στο μόριο με την καλύτερη αντιφλεγμονώδη δράση (IC50 10 μΜ) πραγματοποιήθηκε μελέτη της μοριακής πρόσδεσής του στη φυτική LOX, υποδεικνύοντας την αλλοστερική δέσμευση του μορίου στην λιποξυγονάση, εκτός του ενεργού κέντρου του ενζύμου. Επιπλέον, τα κουμαρινικά παράγωγα εμφάνισαν αξιοσημείωτη κυτταροτοξικότητα έναντι κυτταρικών σειρών καρκίνου ανθρώπινου νευροβλαστώματος και τραχήλου της μήτρας με τιμές IC50 από 1.8 μΜ έως 13.6 μΜ. Σημειώνεται ότι τρία παράγωγα της Σειράς Β που φέρουν 3-φαινυλο-υποκαταστάτη με βρωμο- και μεθοξυ- ομάδες καθώς και ακετυλο- ή φαρνεζυλο-υποκατάσταση παρουσίασαν συνδυασμένη δράση, αποτελώντας προνομιούχες φαρμακευτικές δομές. Τα κουμαρινικά παράγωγα με την καλύτερη βιολογική δράση εγκλείστηκαν με επιτυχία σε επιλεγμένους βιοδιασπώμενους φορείς με σκοπό να τροποποιηθούν οι φυσικοχημικές ιδιότητες τους όπως η υδατοδιαλυτότητα, να ενισχυθεί ή και να βελτιωθεί η βιολογική τους δράση, να μειωθούν ανεπιθύμητες παρενέργειες και να επιτευχθεί στοχευμένη και ελεγχόμενη απελευθέρωση. Τα νανοσωματίδια χαρακτηρίστηκαν δομικά με χρήση φασματοσκοπίας NMR (1H και 2D NMR) και FT-IR, ως προς το μέγεθος και το ζ-δυναμικό με τη δυναμική σκέδαση φωτός (DLS), θερμικά με τις τεχνικές DSC και TGA και μορφολογικά μέσω της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και της μικροσκοπίας φθορισμού. Ειδικότερα, στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε ο εγκλεισμός των φυσικών κουμαρινών 4-μεθυλο-ουμπελιφερόνη και ωραπτένη καθώς και ορισμένων παραγώγων της Σειράς Β που παρουσίασαν σημαντική αντιφλεγμονώδη και κυτταροτοξική δράση.Η 4-μεθυλο-ουμπελιφερόνη εγκλείστηκε σε τρεις διαφορετικούς φορείς εγκλεισμού, το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA), το πολυ(γαλακτικό-γλυκολικό οξύ) (PLGA) και τον ολιγοσακχαρίτη β-κυκλοδεξτρίνη. Τα πολυμερικά PLA και PLGA νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν παρουσίασαν μέγεθος της τάξης των 200 nm και 165 nm, αντίστοιχα. Το σύμπλοκο εγκλεισμού της β-κυκλοδεξτρίνης με την 4-μεθυλο-ουμπελιφερόνη που παρασκευάστηκε χαρακτηρίστηκε δομικά και μελετήθηκε το προφίλ απελευθέρωσης της εγκλεισμένης ουσίας από την κοιλότητα της β-κυκλοδεξτρίνης ακολουθώντας το κινητικό μοντέλο Higuchi. Το σύμπλοκο εξετάστηκε στη συνέχεια in vitro παρουσιάζοντας συνδυασμένη αντιοξειδωτική και αντιφλεγμονώδη δράση (αναστολή της LP: 100%, αναστολή της δράσης της LOX: IC50 10 μΜ ενώ η 4-μεθυλο-ουμπελιφερόνη (3b) προκαλεί αναστολή της LP: 93% και είναι ανενεργή έναντι του ενζύμου) και αξιοποιήθηκε περαιτέρω με την ενσωμάτωσή του σε φαρμακευτικά δισκία. Συγκεκριμένα, η β-κυκλοδεξτρίνη στο σύμπλοκο αποτέλεσε ένα από τα έκδοχα ενώ η 4-μεθυλο-ουμπελιφερόνη (3b) αποτέλεσε τη δραστική φαρμακευτική ουσία (Active Pharmaceutical Ingredient, API). Προκειμένου να καθοριστούν οι συστάσεις των εκδόχων στα φαρμακευτικά δισκία, αρχικά πραγματοποιήθηκαν προκαταρκτικά πειράματα με μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των φαρμακευτικών δισκίων και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε ο πειραματικός σχεδιασμός (DoE) και ειδικότερα η μέθοδος του πειραματικού σχεδιασμού μίγματος (Mixture DoE) προκειμένου να οριστούν ο αριθμός των φαρμακευτικών δισκίων και οι συστάσεις των εκδόχων σε αυτά. Στόχος του Πειραματικού Σχεδιασμού ήταν η παρασκευή φαρμακευτικών δισκίων και η μελέτη της επίδρασης των συστάσεων των εκδόχων στο ρυθμό απελευθέρωσης της δραστικής ουσίας από τα φαρμακευτικά δισκία. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι ο συνδυασμός του άνυδρου φωσφορικού ασβεστίου με το σύμπλοκο εγκλεισμού β-CD-4-MU λειτουργεί επιβραδύνοντας την ποσοστιαία αθροιστική απελευθέρωση της ουσίας.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιτεύχθηκε επιπλέον η ανάπτυξη της κατάλληλης μεθοδολογίας εγκλεισμού φυτικών εκχυλισμάτων και αιθερίων ελαίων που περιέχουν βιοδραστικά φυσικά προϊόντα προκειμένου να προστατευθούν από την οξείδωση και την αποικοδόμηση, να αυξηθεί η υδατοδιαλυτότητά τους και να επιτευχθεί ελεγχόμενη απελευθέρωση. Το βιοδραστικό εκχύλισμα φύλλων ελιάς, το αιθέριο έλαιο της ρίγανης (Origanum onites L.) και του φλισκουνιού (Mentha pulegium) εγκλείστηκαν, σε νανοσωματίδια πολυ(γαλακτικού οξέος) (PLA), σε β-κυκλοδεξτρίνη (β-CD) και σε μικροσωματίδια ζυμομυκήτων (Saccharomyces cerevisiae), αντίστοιχα. Τα διαφορετικής φύσης νανοσυστήματα που παρασκευάστηκαν χαρακτηρίστηκαν με διάφορες τεχνικές χαρακτηρισμού (1Η 1D & 2D NMR, FT-IR, DLS, DSC, TGA και SEM) και στη συνέχεια μελετήθηκε το προφίλ απελευθέρωσης των ουσιών από τους φορείς ενώ πραγματοποιήθηκε κινητική μοντελοποίηση της απελευθέρωσης.Ο εγκλεισμός του αιθερίου ελαίου από φλισκούνι (Mentha pulegium) πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τα μη τοξικά κύτταρα ζυμομυκήτων (Saccharomyces cerevisiae) με την ανάπτυξη μιας απλής μεθοδολογίας εγκλεισμού που στηρίζεται στην παθητική διάχυση. Το αιθέριο έλαιο από το φλισκούνι εγκλείστηκε προκειμένου να μειωθεί η πτητικότητά του, να αυξηθεί η υδατοδιαλυτότητά του και να παραταθεί η εντομοκτόνος δράση του. Το αιθέριο έλαιο Mentha pulegium και τα εγκλεισμένα με έλαιο μικροσωματίδια ζυμομυκήτων αξιολογήθηκαν για την εντομοκτόνο δράση τους μέσω τις ικανότητάς τους να δρουν έναντι των αφίδων Μ. Persicae. Από τη μελέτη της απελευθέρωσης προέκυψε ότι το έλαιο Mentha pulegium απελευθερώθηκε σε χρονικό διάστημα 3 ημερών, χρόνος στον οποίο παρατηρήθηκε και το μεγαλύτερο ποσοστό θνησιμότητας των αφίδων Μ. Persicae, καθιστώντας τον εγκλεισμό ελπιδοφόρα τεχνική για την ανάπτυξη νέων φιλικότερων προς το περιβάλλον εντομοκτόνων παραγόντων. Το εκχύλισμα φύλλων ελιάς εγκλείστηκε σε νανοσωματίδια PLA, που εμφάνισαν μέγεθος 246 nm και ικανοποιητική σταθερότητα σε διασπορά. Τα νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν αξιολογήθηκαν για την αντιοξειδωτική τους δράση με τη μέθοδο της χημειοφωταύγειας που παράγεται από τη λουμινόλη με αξιόλογα αποτελέσματα. Από τη μελέτη απελευθέρωσης του εκχυλίσματος από τα πολυμερικά νανοσωματίδια παρατηρήθηκε το φαινόμενο της ταχείας απελευθέρωσης (“burst effect”) τις πρώτες δυο ώρες. Τα σύμπλοκα εγκλεισμού της β-CD με το αιθέριο έλαιο ρίγανης (Origanum onites L.) παρουσίασαν μέγεθος της τάξης των 450 nm και, όπως υπέδειξε η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, παρασκευάστηκαν μη σφαιρικά νανοσωματίδια διαφορετικών μεγεθών γεγονός που αποδίδεται στην τάση των κυκλοδεξτρινών να συσσωματώνονται. Το προφίλ απελευθέρωσης του ελαίου μελετήθηκε σε διάφορες συνθήκες θερμοκρασίας και pH ακολουθώντας την ίδια τάση και στις εξεταζόμενες περιπτώσεις.