Synthesis, characterization, and biological studies of silver and gold N-heterocyclic carbene complexes derived from 4,5-diarylimidazoles

Abstract

This thesis presented the synthesis characterization, biological studies of silver and gold N-heterocyclic carbene (NHC) complexes derived from 4,5-diarylimidazoles. Six Ag-NHC complexes were synthesized and characterized. Further antiproliferative studies showed that they possessed growth inhibitory effects against mammary (MCF-7 and MDA-MB 231) as well as colon (HT-29) carcinoma cells. They were only marginally active at the DNA, ER and the COX enzymes. So these targets can be excluded to be involved in the mode of action. However, the growth of bacteria was significantly inhibited by the selected complexes and opens a new application of this complex type. In addition, the neutral Au-NHC complexes were synthesized, characterized, and analyzed for bio-logical effects. High growth inhibitory effects of Au-NHC complexes depended on the presence of the C4,C5-standing aromatic rings. The substituents at the nitrogen atoms and the oxidation state of the metal play a subordinate role. All complexes caused TrxR inhibition distinctly lower than auranofin excluding this enzyme as main target. Because of the low nuclear content, a participation of DNA-interaction on the mode of action is very unlikely. The missing ER-binding and the missing correlation of growth inhibition and inactivation of COX enzymes excluded these targets, too. Furthermore, Au-bis(NHC) complexes as well as auranofin analogues were synthesized, character-ized, and analyzed for biological effects. Compared to Au-NHC complexes, the growth inhibitory effects of Au-bis(NHC) complexes against breast cancer as well as against colon cancer cells strongly increased. This effect, which is more than 10-fold higher than that of cisplatin, is independent of the oxidation state and the anionic counter ion. Besides, the gold core seems to be responsible for the high cytotoxic activity of cationic Au-bis(NHC) complexes, thus, the exchange of the gold center by a me-thylene group decreased the growth inhibitory effects. Further investigations with selected complexes demonstrated a rapid and high accumulation grade in the tumor cells (50- to 60-fold compared to the extracellular concentration of 10 µM) within the first 6 h, which kept constant for 24 h.

Diese Arbeit beschreibt die Synthese, Charakterisierung und biologische Untersuchungen von N-heterocyclischen Carbenkomplexen (NHC), die von 4,5-Diarylimidazolen abgeleitet wurden. Sechs synthetisierte Silber-NHC Komplexe besaßen wachstumshemmende Wirkung an Brust- (MCF-7 and MDA-MB 231) sowie Colonkarzinom- (HT-29) Zellen. Nachdem sie sich nur als gering-fügig aktiv an DNA, ER und an COX-Enzymen erwiesen, wurden die Inhibierung dieser Biomoleküle als Wirkungsmechanismus ausgeschlossen. Interessanterweise hemmen sie das Wachstum verschiede-ner Bakterienstämme und eröffnet eine neue Anwendung dieser Komplexe. Darüber hinaus wurden auch neutrale Au-NHC Komplexe synthetisiert, charakterisiert und auf bio-logische Effekte untersucht. Die wachstumshemmende Wirkung hängt von der Anwesenheit der C4,C5-ständigen aromatischen Ringe ab. Die Substituenten an den Stickstoffatomen und die Oxidati-onsstufe des Metalls spielen eine untergeordnete Rolle. Alle Komplexe verursachen an TrxR eine deutlich schwächere Hemmung als Auranofin, was nicht mit der zytotoxischen Wirkung korreliert. Aufgrund der geringen Goldmenge in den Zellkernen ist eine Beteiligung von DNA-Interaktion an der Wirkung sehr unwahrscheinlich. Nachdem keine ER-Bindung gefunden wurde und eine Korrelation zwischen Wachstumshemmung und Inaktivierung von COX Enzyme nicht gegeben ist, schließen wir diese Ziele auch aus. Zudem wurden einige Au-bis(NHC) Komplexe sowie Auranofin-Analoga synthetisiert und getestet. Die Zytotoxizität von Au- bis(NHC) Komplexen ist im Vergleich zu Au-NHC Komplexen stark erhöht und mehr als 10-fach höher als die von Cisplatin. Oxidationsstufe und das Gegenion haben keinen Einfluss. Dagegen verringert der Austausch des Gold-Zentrum durch eine Methylengruppe die wachs-tumshemmenden Effekte, was die Notwendigkeit des Zentralatoms für die hohe zytotoxische Aktivität von kationischen Au-bis(NHC) Komplexen dokumentiert. Weitere Untersuchungen mit ausgewählten Komplexen zeigten eine schnelle und hohe Aufnahme in die Tumorzellen (50- bis 60-fache in Ver-gleich zur extrazellulären Konzentration von 10 µM) innerhalb der ersten 6 Stunden. Diese Konzentra-tion blieb konstant für 24 Stunden. Wie bei Au-NHC konnte die Beteiligung von TrxR, den ER-Rezeptoren sowie von COX Enzymen als mögliche pharmakologische Ziele ausgeschlossen werden.