Development and biological investigation of novel [diarylsalene]- and [salophene]platinum(II) complexes with tumour inhibiting properties

Abstract

This thesis presents the synthesis and characterization of antitumour active platinum(II) complexes as well as their physicochemical and biological properties under in-vitro conditions. Two compounds, [meso-3,4-bis(4-fluorophenyl)-1,6-bis(2-hydroxyphenyl)-2,5-diaza- hexa-1,5-diene]platinum(II) and [N,N -bis(salicylidene)-1,2-phenylenediamine]platinum(II), were chosen as lead substances for the design of [diarylsalene]- and [salophene]platinum(II) derivatives. Ligands with structural differences or bearing different substitutions patterns were prepared in order to investigate the influence of the ligand structure on the antitumour activity. The cytotoxicity was evaluated mainly in MCF-7 human breast cancer cells and is presented as IC50 values. Moreover, active substances (IC50 < 20 μM) were tested for their cytotoxic activity in a time- and concentration-dependent manner. For compounds of both [diarylsalene]- and [salophene]platinum(II) series IC50 values in a wide concentrations range were calculated. Outstanding cytotoxic properties demonstrated some [salophene]platinum(II) derivatives, with IC50 values less than 1 μM. Anyhow, neither for the diarylsalene nor for the salophene series a structure-activity relationship has been found. Concerning the [diarylsalene]platinum(II) series, results were in general not very promising since only one compound produced higher antiproliferative effects than the lead structure. Therefore, further investigations were carried out only with the [salophene]platinum(II) derivatives. In an attempt to explain the differences in cytotoxicity between the [salophene]platinum(II) derivatives, their cellular accumulation was analyzed. All the complexes were satisfactorily taken up into the tumour cells. Although a correlation between accumulation grade and cytotoxicity could not be precisely established, the intracellular drug concentration demonstrated to be strongly influenced by the nature and the position of the ligand substituents. Physicochemical analysis included the determination of the lipophilicity and aqueous solubility of the compounds. The complexes generally presented rather high lipophilicity and low solubility. While the obtained solubility values showed only in a few cases a relationship with the analyzed biological properties, lipophilicity seems to be linearly correlated with IC50 and accumulation values. Considering that antitumour activity was not directly associated with the intracellular drug concentration, it is not possible to establish the expected direct relationship between drug lipophilicity, cellular accumulation and cytotoxic effect. This suggests that it would be interesting to investigate a possible direct influence of lipophilicity on the drug-target interaction. Since DNA is a likely target for anticancer platinum-based coordination compounds, the [salophene]platinum(II) compounds were analyzed for their interactions with isolated DNA. Surprisingly, neither intercalation nor DNA binding demonstrated to be major mechanisms for the cytotoxic activity of the tested platinum complexes. This suggests that it is possible to exclude DNA as the main target of the [salophene]platinum(II) complexes. Non-genomic structures, such as proteins involved in apoptotic processes or proteins related to the homeostasis of the extracellular matrix, are proposed as possible targets. Overall, this work provided a great number of novel platinum-based complexes, potentially active as anticancer agents. It is clear that substituents on the ligand scaffold can modulate the biological properties of the synthesized platinum(II) complexes. Understanding their antitumour mechanism of action and target still remains as an important challenge in order to generate functionalised complexes with optimized physicochemical and biological properties.

Diese Arbeit stellt die Synthese und Charakterisierung von antitumor-aktiven Platin(II)-Komplexen sowie deren physikochemischen und biologischen Eigenschaften unter in-vitro Bedingungen vor. Zwei Verbindungen, [meso-3,4-Bis(4-fluorphenyl)-1,6-bis(2-hydroxyphenyl)-2,5-diazahexa-1,5-dien]platin(II) und [N,N'-Bis(salicyliden)-1,2-phenylendiamin]platin(II), wurden jeweils als Leitsubstanzen für die [Diarylsalen]- und [Salophen]platin(II)- Derivate ausgewählt. Liganden mit strukturellen Unterschieden oder verschiedenen Substitutionsmustern wurden vorbereitet, um den Einfluss ihrer Struktur auf die Antitumor-Aktivität zu untersuchen. Die Zytotoxizität wurde vor allem in MCF-7 Brustkrebszellen ausgewertet und als IC50-Werte präsentiert. Darüber hinaus wurden in Abhängigkeit von Zeit und Konzentration - Wirkstoffe (IC50 <20 μM) auf ihre zytotoxische Aktivität geprüft. In beiden Serien, der [Diarylsalen]- und der [Salophen]platin(II)-Serie, wurden Verbindungen mit IC50-Werten in einem großen Konzentration-Bereich nachgewiesen. Besonders einige [Salophen]platin(II)-Derivate wiesen herausragende zytotoxische Eigenschaften auf, mit IC50-Werten von weniger als 1 μM. Es wurde jedoch weder für die Diarylsalen- noch für die Salophen-Serie eine Struktur-Wirkungs- Beziehung gefunden. In Bezug auf die [Diarylsalen]platin(II)-Serie waren die Ergebnisse generell nicht sehr vielversprechend, da nur eine Verbindung eine signifikante Erhöhung der antiproliferativen Effekte im Vergleich zu der Leitstruktur bewirkte. Daher wurden weitere Untersuchungen nur mit den [Salophen]platin(II)-Derivaten durchgeführt. Um die Unterschiede in der Zytotoxizität zwischen den [Salophen]platin(II)-Derivaten zu erklären, wurde ihre zelluläre Akkumulation analysiert. Alle Komplexe erwiesen sich als in den Tumorzellen gut aufnehmbar. Obwohl eine Korrelation zwischen Akkumulations- Werten und Zytotoxizität nicht genau festgestellt werden konnte, wurde aufgezeigt, dass die intrazelluläre Wirkstoffkonzentration stark von der Natur und der Position der Liganden-Substituenten beeinflusst wird. Mittels physikochemischer Analyse wurden Lipophilie und Wasserlöslichkeit der Verbindungen bestimmt. Die Komplexe wiesen grundsätzlich ziemlich hohe Lipophilie und eine geringe Löslichkeit auf. Während die Löslichkeitswerte nur in wenigen Fällen einen Zusammmenhang mit den analysierten biologischen Eigenschaften zeigten, scheint Lipophilie linear mit IC50 und Akkumulation korreliert zu sein. In Anbetracht dessen, dass Antitumor-Aktivität mit der intrazellulären Wirkstoffkonzentration nicht unmittelbar assoziiert war, lässt sich kein direkter Zusammenhang zwischen Lipophilie, zellulärer Akkumulation und zytotoxischer Wirkung begründen. Weiterführend wäre es interessant, einen möglichen unmittelbaren Einfluss der Lipophilie auf die Drug- Target -Wechselwirkung zu untersuchen. Da die DNA als ein Ziel für Platin- basierte Anti-Krebs-Wirkstoffe galt, wurden die [Salophen]platin(II)-Verbindungen auf ihre Wechselwirkungen mit isolierten DNA analysiert. Überraschenderweise erwiesen sich weder Interkalation noch DNA- Bindung als wesentliche Mechanismen für die zytotoxische Aktivität der untersuchten Platin-Komplexe. Dies bedeutet, dass die DNA als Hauptziel der [Salophen]platin(II)-Komplexe ausgeschlossen werden kann. Stattdessen werden nicht-genomische Strukturen, wie in apoptotischen Prozessen beteiligte Proteine oder Proteine im Zusammenhang mit der Homöostase der extrazellulären Matrix vorgeschlagen. Insgesamt wurde in dieser Arbeit eine große Anzahl von neuen Platin-Komplexen, als potentielle Antikrebs-Wirkstoffe identifiziert. Substituenten am Liganden-Gerüst können die biologischen Eigenschaften der synthetischen Platin(II)-Komplexe modulieren. Es bleibt als große Herausforderung, ihren Antitumor-Wirkungsmechanismus und ihre Target zu verstehen, um funktionalisierte Komplexe mit optimierten physikochemischen und biologischen Eigenschaften zu generieren.