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In vitro investigations of ruthenium, osmium and tungsten compounds as novel anticancer agents
Klaudia Cseh
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Chemie)
Betreuer*in
Bernhard Keppler
DOI
10.25365/thesis.74650
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17368.89127.760095-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Krebs ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Platinhaltige Therapeutika sind eine der am häufigsten angewendeten und wirksamsten Klassen von tumorhemmenden Verbindungen in der Chemotherapie. Trotz des klinischen Erfolges und der hohen Effektivität bei bestimmten malignen Tumoren ist die Wirksamkeit von Platinmedikamenten eingeschränkt. Die Patienten leiden unter einer Reihe von unerwünschten Nebenwirkungen und die Behandlung scheitert häufig an einer erworbenen Arzneimittelresistenz. In den letzten Jahrzehnten haben sich WissenschaftlerInnen bemüht, potenzielle Krebsmedikamente zu entwickeln, um Chemoresistenz zu vermeiden oder zu überwinden. Hierfür wurden Ruthenium-, Osmium- und Wolframverbindungen als vielversprechende Wirkstoffkandidaten identifiziert. Derzeit werden zwei prominente Ruthenium-Koordinationsverbindungen in der Klinik untersucht (der Ru(III)-Komplex BOLD-100 und der Ru(II)-Komplex TLD-1433), während gleichzeitig auch organometallische Ruthenium(II)-Komplexe entwickelt werden. Osmium- und Wolframkomplexe wurden bisher in klinischen Studien nicht untersucht, aber eine beeindruckende tumorhemmende Wirkung in vitro und in vivo wurde in jüngster Zeit berichtet. Das Ziel dieser Dissertation ist es, verschiedene Aspekte der biologischen Aktivität der neuartigen Metallkomplexe zu klären und ihre Wirkmechanismen in Krebszellen besser zu verstehen. Im Speziellen wurden in dieser Dissertation die folgenden drei Gruppen potentieller antitumoraler Wirkstoffe untersucht: (i) 2-Phenylbenzothiazol-Derivate und ihre Ruthenium(II)- sowie Osmium(II)-Metallcyclen; (ii) Ruthenium(II)-Aren-Komplexe auf Naphthochinon-Basis; und (iii) Wolframocene mit einer Reihe verschiedener (O,O–)-, (O,S–)- und (O,N–)-Chelate. Im ersten Projekt wurde eine Serie von 2-Phenylbenzothiazolen und entsprechenden Ruthenium(II)- sowie Osmium(II)-Halbsandwich-Komplexen auf ihre biologischen Eigenschaften untersucht. Alle diese Verbindungen wiesen in einigen humanen Krebszelllinien vielversprechende IC50-Werte im niedrigen mikromolaren Bereich auf. Die Osmium-Komplexe zeigten eine stärkere antiproliferative Aktivität als die Ruthenium-Analoga; darüber hinaus wiesen alle metallhaltigen Komplexe eine bessere tummorhemmende Aktivität im Vergleich zu den freien Liganden auf. Bemerkenswerterweise entsprachen die Ergebnisse von Apoptose/Nekrose-Tests nicht jenen der Zytotoxizitätstests, da die Ruthenium-Verbindungen in höherem Maß apoptotische und nekrotische Vorgänge auslösten als die Osmium-Analoga. Von Bedeutung für die zelluläre Pharmakologie dieser Verbindungen ist die Kolokalisierung eines ausgewählten fluoreszierenden 2-Phenylbenzothiazol-Liganden und des entsprechenden Ruthenium-Aren-Komplexes mit sauren Organellen, wie etwa Lysosomen, menschlicher Darmkrebszellen. Im zweiten Projekt wurden Ruthenium(II)-Organometallverbindungen mit koordinierenden Naphthochinonen auf ihre biologischen Eigenschaften untersucht. Naphthochinone sind bioaktive Moleküle pflanzlichen Ursprungs, die eine vielversprechende krebshemmende und antibakterielle Aktivität aufweisen. Die Ruthenium(II)-Aren-Komplexe auf Naphthochinon-Basis zeigten in kolorimetrischen Kurz- und Langzeitexperimenten an Krebszellen die erwarteten in-vitro-Aktivitäten. Das bemerkenswerteste Ergebnis ist, dass in SW480-Kolonkarzinomzellen eine höhere Zytotoxizität festgestellt wurde als in den weitgehend chemosensitiven CH1/PA-1-Teratokarzinomzellen. Die beiden zytotoxischsten Komplexe (mit p-Cymol und Biphenyl als den Arenen), welche die höchste Stabilität in wässriger Lösung aufweisen, zeigten eine positive Korrelation zwischen ihrer zellulären Akkumulation und ihrer Lipophilie. Darüber hinaus wurden die Naphthochinon-Derivate auf ihre möglichen Wirkmechanismen untersucht, wobei sich ein ausgeprägter Einfluss auf den Zellzyklus (insbesondere in SW480-Zellen), eine signifikante Apoptose-Induktion und eine teilweise Hemmung der Aktivität der NAD(P)H-Dehydrogenase 1 (NQO1) zeigten. Andere aus der Literatur zu Naphthochinonen bekannte Effekte, wie die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und DNA-Interaktionen, konnten nicht beobachtet werden. Im dritten Projekt wurden Wolframocene mit unterschiedlichen biologisch aktiven (O,O–)-, (S,O–)- und (N,O–)-Chelaten charakterisiert. Aktuelle Entwicklungen der In-vitro-Forschung legen eine Notwendigkeit der Verwendung dreidimensionaler Zellkulturtechniken nahe; daher wurden Experimente sowohl an Monolayer- als auch an multizellulären Tumorsphäroid-Kulturen durchgeführt. In beiden Zellkultur-Modellen wurde eine vielversprechende antiproliferative Aktivität für Verbindungen mit (Thio-)Flavon-Liganden festgestellt. Diese beiden Komplexe waren fähig, das Wachstum der Sphäroide zu verlangsamen oder vollständig zu stoppen, wie mittels Bestimmung der Durchmesser der Sphäroide und Immunfluoreszenzfärbung des Proliferationsmarkers KI67 nachgewiesen wurde. Die Aufnahme und subzelluläre Verteilung von Wolfram wurde in Gefrierschnitten von Sphäroiden mittels LA-ICP-TOF-MS untersucht, was unterschiedliche Signalintensitätsverteilungen des Metalls ergab. Des Weiteren konnten für einige der getesteten Verbindungen die Bildung von ROS und konzentrationsabhängige Apoptose-/Nekrose-Induktion nachgewiesen werden. Die (S,O–)-Chelat-Komplexe sind tendenziell aktiver als ihre (O,O–)- und (N,O–)-Analoga, und die vielversprechendsten Kandidaten dieser Serie sind Verbindungen mit (Thio-)Flavon-Liganden. In Summe konnten für alle drei Klassen neuartiger antitumoraler Metallkomplexe Struktur-Aktivitäts-Beziehungen aufgeklärt, die potentesten Vertreter identifiziert und bisher unbekannte Aspekte ihrer biologischen Aktivität in Krebszellmodellen aufgezeigt werden. Dies illustriert das Innovationspotential, welches diesem Forschungsfeld nach wie vor innewohnt.
Abstract
(Englisch)
Cancer is one of the leading causes of mortality worldwide. Platinum-based drugs are one of the most widely used and most effective classes of anticancer agents in chemotherapy. Despite their clinical success and high efficacy in certain malignancies, platinum drugs have various limitations. Patients suffer from a series of adverse effects, while treatment failure often results from acquired drug resistance. In the past decades researchers have sought to rationally design potential anticancer agents to evade and/or overcome chemoresistance. As such, ruthenium, osmium, and tungsten compounds have been recognized as lead drug candidates. Currently, two prominent coordination compounds of ruthenium are underclinical investigation (the Ru(III) complex BOLD-100 and Ru(II) complex TLD-1433), while organometallic ruthenium(II) complexes are also being developed. No clinical studies have evaluated the impact of osmium and tungsten complexes so far, but impressive anticancer activity in vitro and in vivo has been recently reported.The aim of this doctoral thesis is to clarify several aspects of the biological activity of novel metallodrugs and to further elucidate their mode of action in cancer cells. In particular, this PhD thesis examines the following three groups of anticancer drug candidates: (i) 2- phenylbenzothiazole derivatives and their ruthenium(II) as well as osmium(II) metallacycles; (ii) naphthoquinone-based ruthenium(II) arene complexes; and (iii) tungstenocenes with a diverse set of (O,O–), (O,S–) and (O,N–) chelates. In the first project, a series of 2-phenylbenzothiazoles and their corresponding ruthenium(II) as well as osmium(II) half-sandwich complexes have been investigated on their biological properties. All of these compounds exhibited promising IC50 values in the low μM range in a number of human cancer cell lines. The osmium complexes showed more potent antiproliferative activity than the ruthenium analogues; moreover, all metal-containing complexes exerted higher anticancer activity in comparison to the free ligands. Intriguingly, an apoptosis/necrosis assay yielded results not mirroring those of the cytotoxicity tests, with the ruthenium compounds being more potent in inducing apoptotic and necrotic events than the osmium analogues. A finding of particular relevance for their cellular pharmacology was the colocalization of a selected fluorescent 2-phenylbenzothiazole ligand and its corresponding ruthenium arene complex in acidic organelles, such as lysosomes, in human colon cancer cells. In the second project, ruthenium(II) organometallics with coordinating naphthoquinones were investigated on their biological properties. Naphthoquinones are bioactive molecules of plant origin, which exhibit auspicious anticancer and antibacterial activity. The naphthoquinonebased ruthenium(II) arene complexes yielded the expected in vitro anticancer activities in short- and long-term colorimetric assays. The most striking result to emerge from the findings is that higher cytotoxicity has been found in SW480 colon cancer cells than in the broadly chemosensitive CH1/PA-1 ovarian teratocarcinoma cells. The two most cytotoxic complexes with (p-cymene and biphenyl as their arenes), had the highest aqueous stability, and showed a positive correlation between their cellular accumulation and lipophilicity. Furthermore, the naphthoquinone derivatives have been investigated on their mechanisms of action, revealing a pronounced influence on the cell cycle (especially in SW480 cells), a significant induction of apoptosis and partial inhibition of NAD(P)H quinone dehydrogenase 1 (NQO1) activity. Other effects known from the literature on naphthoquinones, such as reactive oxygen species (ROS) generation and DNA interactions, could not be observed. In the third project, tungstenocenes with various biologically active (O,O–), (S,O–) and (N,O–) chelates were characterised. Recent developments in in vitro cancer research suggest a need for using three-dimensional cell culture techniques; therefore, experiments were performed with monolayer as well as multicellular tumour spheroid cultures. Promising antiproliferative activity was detected for compounds bearing (thio)flavone ligands in both cellular models. These two complexes were capable of slowing down or completely stopping spheroid growth, detected by capturing the diameter of spheroids and by immunofluorescence staining with the KI67 proliferation marker. Tungsten uptake and subcellular distribution were investigated in cryo-sectioned spheroids via LA-ICP-TOF-MS, resulting in different signal intensity maps of the metal. Moreover, ROS generation and apoptosis/necrosis induction could be detected in a concentration-dependent manner for some of the tested compounds. The (S,O–) chelate bearing complexes tend to be more active than their (O,O–) and (N,O–) counterparts, and the most promising candidates of this series are compounds bearing (thio)flavone ligands. In summary, structure-activity relationships could be elucidated, the most potent representatives identified and previously unknown aspects of their biological activity in cancer cell models revealed for all three classes of novel antitumour metal complexes, illustrating the innovative potential still inherent in this field of research.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
metall-basierte Verbindungen Antikrebsmittel Ruthenium Osmium Wolfram Zellkultur 3D multizelluläre Tumor-Sphäroide
Schlagwörter
(Englisch)
metal-based drugs anticancer ruthenium osmium tungsten cell culture 3D multicellular tumor spheroids
Autor*innen
Klaudia Cseh
Haupttitel (Englisch)
In vitro investigations of ruthenium, osmium and tungsten compounds as novel anticancer agents
Paralleltitel (Deutsch)
In-vitro-Untersuchungen von Ruthenium-, Osmium- und Wolfram-Verbindungen als neuartige Krebsbekämpfungsmittel
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
VII, 226 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Gerda Egger ,
Barbara Lieder
AC Nummer
AC16980370
Utheses ID
68311
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |