1. Biological evaluation of the anticancer activity of bioactive natural products, their analogues and formulations
- Author
-
Τζάκος, Ανδρέας, Σταμάτης, Χαράλαμπος, Χριστοφορίδης, Σάββας, Μαυρομούστακος, Θωμάς, Κωλέττας, Ευάγγελος, Κουρκουμέλης, Νικόλαος, and Σιβολαπένκο, Γρηγόριος
- Subjects
Φυτοχημικές ενώσεις ,Συμπλοκοποίηση ,Κερσετίνη ,Κυτταρική πρόσληψη ,Phytochemicals ,Φυσικά προϊόντα ,Καφεϊκό οξύ ,Φασματοσκοπία NMR ,Interaction study ,Αλβουμίνη ,Anti-cancer activity ,Antioxidant activity ,Cellular uptake ,Αγγειογένεση ,Ροσμαρινικό οξύ ,Caffeic acid ,Natural products ,Cyclodextrins ,Derivatives of rosmarinic acld ,Χημική τροποποίηση ,Μελέτη αλληλεπίδρασης ,Καρκίνος παχέος εντέρου ,Albumin ,Κυκλοδεξτρίνες ,Παράγωγα ροσμαρινικού οξέος ,Αντικαρκινική δράση ,Colorectal cancer ,Υγρή χρωματογραφία συζευγμένη με φασματομετρία μαζών ,Θερμιδομετρία ισόθερμης τιτλοδότησης ,Αντιοξειδωτική δράση ,Quadrapole mass spectrometry ,Rosmarinic acid ,NMR analysis ,Formulation ,Isothermal titration calorimetry ,Quercetin ,Angiogenesis ,Chemical modification - Abstract
Ο καρκίνος είναι μια από τις πιο θανατηφόρες ασθένειες παγκοσμίως και παρ’ όλο που καινοτόμες θεραπείες αναπτύσσονται συνεχώς το ποσοστό επιβίωσης παραμένει χαμηλό. Έτσι, η ανάγκη για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων για κάθε τύπο καρκίνου παραμένει επιτακτική. Τα φυσικά προϊόντα και ειδικά οι φυτοχημικές ενώσεις αποτελούν τεράστια πηγή ποικίλων και βιοδραστικών μορίων. Αν και αρκετά από αυτά μέχρι στιγμής, όπως η βινμπλαστίνη, η πακλιταξέλη και η ιρινοτεκάνη, έχουν εγκριθεί για τη θεραπεία καρκίνων το ερευνητικό ενδιαφέρον ως προς τις φυτοχημικές ενώσεις έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια εξαιτίας διαφόρων δυσκολιών όπως η απαιτητική απομόνωση/σύνθεση και η χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα τους. Ωστόσο, η απόκτηση βαθύτερης γνώσης της βιοδραστικότητας της αλλά και της δυνατότητας της δομικής τους τροποποίησης/ του εγκλεισμού σε φορείς μπορούν να βελτιστοποιήσουν τη βιοδραστικότητα τους και να προσφέρουν καινοτόμα μόρια-οδηγούς στον τομέα της ανάπτυξης αντικαρκινικών φαρμάκων.Το πρώτο μέρος περιγράφει την αλληλεπίδραση του ροσμαρινικού οξέος και των δύο δομικών υπομονάδων του, καφεϊκό και σαλβιανικό οξύ, με την αλβουμίνη του ορού. Οι τρεις αλληλεπιδράσεις εξετάζονται μέσω φθορισμομετρίας, STD και NOESY NMR φασματοσκοπίας, θερμιδομετρίας ισόθερμης τιτλοδότησης (ΙΤC) και προσομοίωσης Μοριακής Πρόσδεσης έτσι ώστε να χαρτογραφηθούν τα δομικά και θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά τους καθώς και ο τρόπος πρόσδεσης τους. Ισχυρότερη πρόσδεση στην αλβουμίνη επέδειξε το ροσμαρινικό οξύ, καθώς οι αλληλεπιδράσεις του καφεϊκού και σαλβιανικού οξέος ήταν πολύ πιο αδύναμες, υποδεικνύοντας πως η δομική πολυπλοκότητα μπορεί να οδηγήσει σε διαφοροποιημένες ιδιότητες πρόσδεσης.Στο δεύτερο μέρος περιγράφονται τα σύμπλοκα εγκλεισμού του ροσμαρινικού και του καφεϊκού οξέος με την 2-ύδροξυ-πρόπυλο-β-κυκλοδεξτρίνη και η χημική τροποποίηση του ροσμαρινικού οξέος σε εστερικά και αμιδικά παράγωγα. Τα δομικά χαρακτηριστικά, οι θερμοδυναμικές παράμετροι και η ισχύς των δύο συμπλόκων χαρακτηρίζονται μέσω φασματοσκοπίας NMR στερεής και υγρής κατάστασης, ITC και φασματομετρία μαζών αποκαλύπτοντας σύμπλοκα μοριακής αναλογίας 1:1 με αλληλεπιδράσεις μέτριας ισχύος. Συμπερασματικά, η 2-ύδροξυ-πρόπυλο-β-κυκλοδεξτρίνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας των δύο μορίων και δυνητικά να αυξήσει τη σταθερότητα και τη βιοδιαθεσιμότητα τους in vivo. Επιπρόσθετα, η εστεροποίηση και η αμιδίωση του ροσμαρινικού οξέος αυξάνει την κυτταρική του πρόσληψη η οποία εμποδίζεται από το αρνητικό φορτίο που του επιφέρει η καρβοξυλική του ομάδα. Η ενισχυμένη κυτταρική πρόσληψη αντικατοπτρίζεται, επίσης, στην αυξημένη ικανότητα των παραγώγων να προστατέψουν τα κύτταρα Jurkat από τις επαγόμενες από το H2O2 βλάβες στο DNA και την απόπτωση αλλά και στην αυξημένη ικανότητα μείωσης των ενδοκυτταρικών επιπέδων του καταλυτικά ενεργού σιδήρου. Τα εστερικά παράγωγα έδειξαν μεγαλύτερη κυτταρική πρόσληψη και αντιοξειδωτική ιδιότητα σε σχέση με τα αμιδικά οδηγώντας στην εκτίμηση πως η υδρόλυση των εστερικών τους δεσμών από τις ενδοκυττάριες εστεράσες μπορούν να επιφέρουν υψηλότερη συσσώρευση του ροσμαρινικού οξέος στα κύτταρα.Τέλος, το τρίτο μέρος αναφέρεται στη μελέτη ενός μεθυλιωμένου ανάλογου μορίου της κερσετίνης το οποίο επέδειξε πολύ πιο υψηλή αντιπολλαπλασιαστική ικανότητα συγκριτικά με την κερσετίνη έναντι των καρκινικών κυττάρων παχέος εντέρου DLD1. Αφού εξετάσθηκε η δράση 8 μεθυλιωμένων αναλόγων της κερσετίνης, ένα από αυτά έδειξε 44 φορές χαμηλότερη τιμή IC50 σε σχέση με αυτήν της κερσετίνης. Ο τρόπος δράσης του μελετήθηκε με τεχνικές για τον έλεγχο του πολλαπλασιασμού, της απόπτωσης και της μετανάστευσης οδηγώντας στο συμπέρασμα πως μειώνει την κυτταρική ανάπτυξη μέσω αναστολής του πολλαπλασιασμού. Επιπλέον, μελετήθηκε αν το μεθυλιωμένο παράγωγο διατηρεί την ικανότητα της κερσετίνης να επιδρά σε αγγειογενετικούς μοριακούς μηχανισμούς των ενδοθηλιακών κυττάρων (HUVECs). Ομοίως της κερσετίνης, το μεθυλιωμένο παράγωγο αναστέλλει την επαγόμενη από τον VEGF επιβίωση και τον πολλαπλασιασμό των HUVECs. Cancer is one of the deadliest diseases worldwide and though novel treatments consecutively arise the survival rate remains low. Thus, there is an urgent need to develop new drugs suitable for each cancer type. Natural products and especially phytochemical substances constitute a huge source of diverse and bioactive compounds. Even though many of them until now, like vinblastine, paclitaxel and irinotecan, have been approved for cancer treatment the research interest in phytochemical compounds has been decreased in the last years due to various difficulties like their challenging isolation/synthesis and low bioavailability. However, deeper knowledge of their bioactivity as well as of their capacity for derivatization/carrier inclusion may optimize their efficacy and provide novel lead molecules for anticancer drug development.The first part describes the interaction of rosmarinic acid and its two building blocks, caffeic and salvianic acid, with serum albumin. The three interactions are investigated through fluorescence spectroscopy, STD and NOESY NMR spectroscopy, isothermal titration calorimetry (ITC) and molecular docking to map their structural, thermodynamic and binding characteristics. The strongest affinity to serum albumin was exhibited by rosmarinic acid, while the affinities of caffeic and salvianic acid were much weaker, indicating that structural complexity can lead to differential binding properties.The second part describes the inclusion complexes of rosmarinic and caffeic acid with the 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin and the chemical derivatization into ester and amide analogues of rosmarinic acid. The structural characteristics, thermodynamic and affinity parameters of the two complexes are characterized through solid and liquid state NMR spectroscopy, ITC and mass spectrometry revealing 1:1 complexes with moderate affinities. As a result, 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin could serve as a carrier for both molecules and potentially increase their stability and biovailability in vivo. Furthermore, the esterification and amidification of rosmarinic acid increases its cellular uptake which is hampered due to the negative charge of its carboxylic group. The enhanced uptake is, also, reflected in the increased ability of the analogues to protect Jurkat cells from the H2O2-induced DNA damage and apoptosis and in the increased ability to reduce the intracellular levels of labile iron. The ester derivatives displayed greater cellular uptake and antioxidant activity compared to the amide derivatives, leading to the estimation that the hydrolysis of the ester bonds by the intracellular esterases can result to higher accumulation of rosmarinic acid into the cells.Finally, the third part is about the study of a quercetin methylated analogue showing much higher antiproliferative properties than the parent compound against the DLD1 colon cancer cells. After the screening of 8 methylated quercetin analogues, one showed a 44-fold lower IC50 compared to quercetin. Its way of action was studied through proliferation, apoptosis and migration assays leading to the conclusion that it inhibits the cell growth through the inhibition of proliferation. Furthermore, it was investigated whether the methylated compound retains the ability of quercetin to act on angiogenic molecular mechanisms in endothelial cells (HUVECs). Similar to quercetin, the methylated compound inhibits the VEGF-induced survival and proliferation of HUVECs. 174 σ.
- Published
- 2021