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Characterizing the chemical reactivity and biological activity of a catalytic metallodrug by mass spectrometry
Sofie Damian
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Samuel Meier-Menches
DOI
10.25365/thesis.80058
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19960.33431.474246-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Masterarbeit untersucht die Charakterisierung eines Iridium(III)-Metallwirkstoffs (Ir1) hinsichtlich seiner chemischen Reaktivität und biologischen Aktivität in der kolorektalen Krebszelllinie SW480. Das Projekt wurde durch das zunehmende Interesse an Übergangsmetallkomplexen motiviert, die katalytische Reaktionen in Zellen ermöglichen. Zur Aufklärung des katalytischen Hydridtransfer-Mechanismus von Ir1 wurde eine Interaktionsstudie mit dem reaktiven Aldehyd 4-Hydroxynonenal (4-HNE) sowie verschiedenen Hydrid/Deuterid-Donoren durchgeführt. Mittels LC-MS/MS wurde zeitabhängig gezeigt, dass 4-HNE in Anwesenheit von Ir1 und Hydrid/Deuterid-Donoren über 20 Stunden verbraucht wurde, begleitet von der Bildung der entsprechenden Alkohole. Anschließend wurden Viabilitätsassays in SW480-Zellen zur Bestimmung der IC10–IC90-Werte durchgeführt. Nach 24-stündiger dosisabhängiger Ir1-Behandlung wurden Gesamtzelllysate generiert, proteolytisch verdaut und mittels Nano-LC-MS/MS auf einem timsTOF Pro analysiert. Die Proteomdaten zeigten eine klare dosisabhängige Antwort. Mittlere Konzentrationen (IC40– IC60) induzierten Proteine, die mit oxidativem Stress, mitochondrialer Umgestaltung und Zellzyklusregulation verknüpft sind. Höhere Konzentrationen (IC70–IC90) aktivierten vermehrt Apoptose bezogene Prozesse, einschließlich Bax-assoziierter Signalwege. Ir1 beeinflusste insbesondere drei zentrale biologische Prozesse: Stressantwort-Signalwege (NRF2- und Hitzeschockmechanismen), Apoptose sowie metabolische Umprogrammierung (Glykolyse, Pentosephosphatweg, Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel). Diese Veränderungen deuten auf die Transferhydrierungsfähigkeit von Ir1 hin. Da Ir1 als Reduktionsmittel wirkt, wurde ein antagonistischer Effekt mit Arsentrioxid (ATO), das reaktive Aldehyde erzeugt, erwartet. Viabilitätsassays bestätigten diesen Antagonismus mit einem Kombinationsindex von ca. 1.1. Die proteomische Analyse der Ir1+ATO-Kombination zeigte eine signifikante Hochregulierung von 306 Proteinen im Vergleich zu den Einzelbehandlungen. Funktionelle Annotation ordnete diese Proteine der Ungefaltete-Protein-Antwort, Hitzeschockmechanismen und apoptotischen Prozessen zu. Die Induktion oxidativen Stresses wurde mithilfe des DCFH-DA-Assays nach akuter Behandlung mit Ir1, ATO und ihrer Kombination untersucht. ATO erzeugte keine Peroxid basierten ROS, während Ir1 und die Kombination starke ROS-Signale lieferten. Zellfreie Experimente zeigten jedoch, dass diese Signale nicht auf zelluläre ROS zurückzuführen sind, sondern auf eine direkte chemische Reaktion zwischen Ir1 und dem DCFH-DA-Farbstoff, der offenbar als Hydriddonor fungiert. Der Anstieg der DCFH-Fluoreszenz stellt somit einen direkten Nachweis der katalytischen Aktivität von Ir1 in SW480-Zellen dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern das Verständnis darüber, wie katalytische Metallwirkstoffe zelluläre Proteome und Stressnetzwerke beeinflussen können.
Abstract
(Englisch)
This Master thesis focuses on the characterization of an investigational iridium(III) metallodrug (Ir1) with respect to its chemical reactivity and biological activity in the colorectal cancer cell line SW480. The present study was motivated by the growing interest in transition metal complexes enabling catalytic reaction in cells. To investigate the catalytic mechanism of hydride transfers of Ir1, an interaction study was performed with the reactive aldehyde 4-hydroxynonenal (4-HNE) and several hydride/deuteride donors in a time-dependent manner by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). The consumption of 4-HNE over 20 hours was observed in the presence of Ir1 and hydride/deuteride donors, accompanied by the formation of the corresponding alcohol products. Viability assays were then conducted with Ir1 in SW480 cancer cells to determine concentrations to inhibit growth from 10% to 90% (IC10-IC90). SW480 cells were treated with Ir1 for 24 hours in a dose-dependent manner, whole cell lysates were generated and after proteolytic digestion, the samples were analyzed by nano-flow LC-MS/MS using a timsTOF Pro mass spectrometer. The resulting proteomic data revealed a clear dose dependent response. Particularly, intermediate doses (IC40–IC60) induced proteins associated with oxidative stress, mitochondrial remodeling, and cell cycle regulation. Apoptosis related processes became more dominant at higher doses (IC70-IC90), including Bax associated pathways. Among others, Ir1 influenced three major biological processes: stress response signaling (NRF2 and heat shock pathways), apoptosis, and metabolic remodeling (Glycolysis, Pentose-Phosphate Pathway, and One-carbon metabolism) that may be indicative of the transfer hydrogenation capability of Ir1. By acting as a reducing agent, Ir1 was supposed to have antagonistic effects with arsenic trioxide (ATO), which induces reactive aldehyde species. Indeed, an antagonism of this combination was verified in viability assays with a combination index of around 1.1. Proteomic profiling of the combination treatment significantly upregulated 306 proteins, compared to the single agent treatments. Functional annotation confirmed the association of these proteins with unfolded protein response, heat shock mechanisms, and apoptotic processes. Finally, oxidative stress induction was assessed using the 2’,7’-dichlorodihydrofluorescein diacetate (DCFH-DA) assay in SW480 cancer cells after acute treatment with Ir1 and ATO, as well as their combination. ATO did not induce peroxide-based reactive oxygen species (ROS), whereas Ir1 and the Ir1+ATO combination were potent ROS inducers. Cell-free studies revealed that these signals were not due to cellular ROS generation but to a direct chemical reaction between Ir1 and the DCFH-DA dye, which seems to serve as a hydride donor. Thus, the increase in DCFH-mediated fluorescence represents direct evidence of the catalytic activity of Ir1 in SW480 cells. The findings of this work contribute to a deeper understanding of how catalytic metallodrugs can reshape cellular proteomes and stress networks.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Iridiumkomplex Proteomics Metallwirkstoff Dosis-abhängige Behandlung Interaktionsstudie ROS Antagonismusstudie Arsentrioxid DCFH-DA Assay Reaktive Sauerstoff Spezies
Schlagwörter
(Englisch)
Iridium compound Proteomics Metallodrug Dose-dependent treatment Interaction study ROS Antagonism study Arsenic trioxide DCFH-DA Assay Reactive oxygen species
Autor*innen
Sofie Damian
Haupttitel (Englisch)
Characterizing the chemical reactivity and biological activity of a catalytic metallodrug by mass spectrometry
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
V, 75 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Samuel Meier-Menches
Klassifikation
35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie
AC Nummer
AC17751899
Utheses ID
78859
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |