Copper complexes with bpa- and phen-based ligands as artificial nucleases

Abstract

Cancer is one of the leading causes of death worldwide. In women, the most common type of cancer is breast cancer and in men, the most common type of cancer is prostate cancer. Depending on the stage of the disease different kinds of therapies are used, comprising surgery, radio-, chemo- and hormonal therapy. The best-known anticancer drug cisplatin not only shows activity in various tumor types, but also disadvantages, e.g. large numbers of side effects and resistances. Therefore, compounds containing essential trace elements such as copper (Cu) and zinc (Zn) acting as cytostatic agents are of great importance in the field of medicinal bioinorganic chemistry. In particular, cytotoxicity can occur through DNA cleavage in tumor cells. In combination with aromatic N-donor ligands, Cu(II) complexes performing as synthesized DNA cleavers or artificial nucleases have been studied in this work. Details of the mechanism regarding hydrolytic as well as oxidative DNA cleavage are described in CHAPTER 1. It is known that Cu(II) complexes of the aromatic ligand bpa (bis(2-picolyl)amine) are able to cleave DNA through the hydrolytic pathway. In this work, novel Cu(II) bpa derivatives containing various side chains have been synthesized, characterized and subjected to both hydrolytic and oxidative DNA cleavage studies. Interaction of chosen bpa complexes with calf thymus (CT) DNA has been determined via circular dichroism (CD) spectroscopy. Details can be found in CHAPTER 2. Well-known as female sex hormones, estrogens are able to diffuse across the cell membrane and further bind to estrogen receptors (ER) in order to stimulate the transcription of steroid-regulated genes. Naturally appearing estrogens were linked to the bpa ligand in order to target DNA of ER-positive cancer cells. Cu(II) complexes of the synthesized estrogen bpa derivatives were thus evaluated regarding hydrolytic as well as oxidative DNA cleavage. Cytotoxicity studies towards breast cancer cells were carried out via MTT assay. Details can be found in CHAPTER 3. One of the first known artificial nucleases containing copper comprises the aromatic ligand phen (1,10-phenanthroline), which is able to cleave DNA oxidatively. In this work, phen derivatives with long alkyl chains have been synthesized in order to ensure an amphiphilic feature. Studies regarding oxidative DNA cleavage, proteolytic BSA (bovine serum albumin) cleavage and cytotoxicity towards breast cancer cells were carried out with chosen Cu(II) complexes of the alkylated phen derivatives. Details can be found in CHAPTER 4.

Krebs zählt zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Die am häufigsten vorkommenden Krebsarten sind bei Frauen Brustkrebs und bei Männern Prostatakrebs. Je nach Krankheitszustand werden verschiedene Therapien wie die chirurgische, Radio-, Chemo- und hormonale Therapie angewendet. Das bekannteste Zytostatikum Cisplatin zeigt nicht nur Aktivitäten gegenüber verschiedene Tumorzellen auf, sondern auch Nachteile, wie z.B. zahlreiche Nebenwirkungen und Resistenzen. Aus diesem Grund sind Verbindungen mit essentiellen Übergangsmetallen wie Kupfer (Cu) und Zink (Zn) als Zytostatika in der Medizinischen Bioanorganischen Chemie von hoher Bedeutung. Hierbei kann die Zytotoxizität u.a. durch DNA-Spaltung in Tumorzellen entstehen. In Verbindung mit aromatischen N-Donor-Liganden wurden in dieser Arbeit Cu(II)-Komplexe als künstliche DNA-Spalter oder artifizielle Nukleasen untersucht. Einzelheiten bezüglich der hydrolytischen und oxidativen DNA- Spaltmechanismen sind in KAPITEL 1 beschrieben. Es ist bekannt, dass Cu(II)-Komplexe des aromatischen Liganden bpa (Bis(2-picolyl)amin) die DNA auf hydrolytische Weise spalten können. In dieser Arbeit wurden neue Cu(II)-bpa- Derivate mit verschiedenen Seitenketten synthetisiert, charakterisiert und hinsichtlich der hydrolytischen und oxidativen DNA-Spaltung untersucht. Die Wechselwirkung von ausgewählten bpa-Komplexen mit Kalbsthymus-DNA (CT-DNA) wurde mithilfe der Circulardichroismus (CD)-Spektroskopie bestimmt. Weitere Einzelheiten sind in KAPITEL 2 zu finden. Das weibliche Sexualhormon Östrogen kann durch die Zellmembran diffundieren und am Östrogenrezeptor (ER) binden, um die Transkription von steroidregulierten Genen zu stimulieren. Natürlich vorkommende Östrogene wurden am bpa-Liganden angeknüpft, um die DNA von ER- positiven Krebszellen gezielt anzugreifen. Cu(II)-Komplexe dieser Östrogen- bpa-Derivate wurden bezüglich der hydrolytischen und oxidativen DNA-Spaltung ausgewertet. Die Zytotoxizität gegenüber Brustkrebszellen wurde mithilfe des MTT-Assays überprüft. Weitere Einzelheiten sind in KAPITEL 3 zu finden. Eine der am längsten bekannten, kupferhaltigen artifiziellen Nukleasen enthält den aromatischen Liganden phen (1,10-Phenanthrolin), und kann die DNA oxidativ spalten. In dieser Arbeit wurden phen-Derivate mit langen Alkylketten synthetisiert, um einen amphiphilen Charakter zu gewährleisten. Studien bezüglich oxidativer DNA-Spaltung, BSA(Rinderserumalbumin)-Spaltung und Zytotoxizität gegenüber Brustkrebszellen wurden mit ausgewählten Cu(II)-Komplexen der alkylierten phen-Derivate durchgeführt. Weitere Einzelheiten sind in KAPITEL 4 zu finden.