Novel Cu(II) complexes bearing N,O-donor heteroaromatic ligands as potential anticancer drugs. A redox-active metallic core

Abstract

Durant els darrers 30 anys, Ru, Ir, Pd, Fe o Cu han emergit com a alternatives prometedores en substitució als fàrmacs que contenien platí, que presentaven importants efectes secundaris. Especialment a la darrera dècada, els complexos de coure han despertat interès com a agents terapèutics. El coure és un metall essencial, present en moltes de les proteïnes del nostre cos, jugant un paper crucial en els processos bioquímics que es porten a terme. Concretament, dos aspectes han fet del coure un metall d’interès de cara a la teràpia contra el càncer: el fet de ser un metall endogen -fet que hauria de comportar menys efectes secundaris que un d’exogen com el platí- i el seu parell redox Cu(II)/Cu(I) -que s’ha descrit capaç de generar espècies reactives d’oxigen (EROs). Aquestes EROs poden danyar l’ADN i causar la mort cel·lular. A més, el fet que les cèl·lules canceroses tinguin un nivell d’EROs superior a les cèl·lules sanes apareix com una possibilitat per tal d’aconseguir una teràpia més selectiva. La primera part de la tesi es basa en la síntesi, caracterització i l’estudi de l’activitat biològica d’un complex de Cu(II) dinuclear que conté un lligand N,O-donador (L), especialment dissenyat per a promoure una ràpida conversió Cu(II)/Cu(I). Els assajos biològics en cultius cel·lulars mostren una alta producció d’EROs en línies cel·lulars HeLa, i que el complex té més toxicitat en cèl·lules canceroses que en sanes. En aquesta primera part, les interaccions amb ADN i proteïnes també s’han avaluat. A partir d’aquest punt de partida, el lligand L s’ha funcionalitzat amb grups halogenats per tal de modular el potencial redox del parell Cu(II)/Cu(I). La presència de grups electroatraients pretén facilitar la reducció del Cu(II) a Cu(I). De totes maneres, els complexos corresponents mostren certs problemes de solubilitat. En aquest sentit, la segona part de la tesi es centra en la derivatització del lligand L per tal de millorar la seva solubilitat i biodisponibilitat. Per això, s’aborden dues estratègies principals. La primera es basa a derivatitzar el lligand amb grups sulfonat i arginina, mantenint el mateix entorn de coordinació al voltant del coure. La segona estratègia es centra essencialment en millorar la internalització cel·lular, per tal d’incrementar la toxicitat del corresponent complex, amb la funcionalització del lligand amb pèptids rics en arginina, d’alta capacitat penetrant. Finalment, la darrera part d’aquest treball obre la porta a l’ús d’una plataforma dendrítica multimodal com a futur sistema de transport de fàrmacs. S’ha estudiat la seva capacitat de coordinació de coure i la seva potencialitat com a plataforma d’administració de fàrmacs. A partir d’aquí, també s’ha aconseguit ancorar la plataforma al lligand L, i procedir a la seva complexació com a prova de concepte d’aquest sistema de cara a futures teràpies dirigides.

Depuis une trentaine d’années, le Ru, l’Ir, le Pd, le Fe ou le Cu sont apparus comme des alternatives prometteuses pour remplacer les médicaments contenant du platine, et qui ont montré des effets secondaires importants. En particulier au cours des dix dernières années, les complexes de cuivre ont suscité l’intérêt en tant qu’agents thérapeutiques. Le cuivre est un métal essentiel, présent dans de nombreuses protéines de notre corps et joue un rôle crucial dans les processus biochimiques. Plus précisément, deux aspects ont fait du Cu un métal d’intérêt pour le traitement du cancer : le fait qu’il s’agisse d’un métal endogène, et qui devrait par conséquent avoir moins d’effets secondaires que les complexes de métaux exogènes comme le platine ; et le couple redox Cu(II)/Cu(I) rapporté comme pouvant générer des espèces réactives de l’oxygène (EROs). Ces EROs peuvent endommager l’ADN et provoquer la mort cellulaire. Ce fait apparaît comme une possibilité de traitement sélectif. La première partie de la thèse est basée sur la synthèse, la caractérisation et l’étude de l’activité biologique d’un complexe dinucléaire de Cu(II) contenant un ligand N,O-donneur (L), spécialement conçu pour promouvoir une conversion rapide Cu(II)/Cu(I). Les tests en culture cellulaire montrent une forte production d’EROs dans les lignées de cellules HeLa et montrent aussi que le complexe a plus de toxicité au sein des cellules cancéreuses que dans les cellules saines. Dans cette première partie, les interactions avec l’ADN et les protéines ont été également évaluées. À partir de ce point de départ, le ligand L a été fonctionnalisé avec des groupes halogénés afin de moduler le potentiel rédox du couple Cu(II)/Cu(I). La présence de groupes attracteur d’éléctrons vise à faciliter la réduction de Cu(II) en Cu(I). Cependant, tous les complexes correspondants présentent certains problèmes de solubilité. En ce sens, la deuxième partie de la thèse porte sur la dérivatisation du ligand L afin d’améliorer sa solubilité et sa biodisponibilité. deux stratégies principales sont alors abordées : La première est basée sur la fonctionnalisation du ligand avec des groupes sulfonate et arginine, en maintenant le même environnement de coordination autour du cuivre. La deuxième stratégie vise essentiellement à améliorer l’internalisation cellulaire, afin d’augmenter la toxicité du complexe correspondant, avec la dérivatisation du ligand avec des peptides riches en arginine (rapportés pour avoir une haute capacité de pénétration intra cellulaire).

Enfin, la dernière partie de ce travail ouvre la porte à l’utilisation d’une plateforme dendritique multimodale pour être utilisé comme futur système d’administration de médicaments. Sa capacité de coordination du cuivre et son potentiel en tant que plateforme d’administration de médicaments ont été étudiés. À partir de là, on a été également capable d’ancrer la plateforme dans le ligand L et de procéder à sa complexation avec cuivre, comme preuve de concept de ce système pour son utilisation dans de futures thérapies dirigées.

During the last 30 years, Ru, Ir, Pd, Fe or Cu have appeared as promising alternatives to overcome the drawbacks encountered with Pt anticancer compounds. Beyond all of them, and mainly during the last decade, Cu complexes have awakened strong interest as therapeutic agents. Two features make Cu attractive to be used in chemotherapy: its nature as an endogenous metal —which may imply fewer side effects than other exogenous metals- and its Cu(II)/Cu(I) redox pair —which can promote reactive oxygen species (ROS) generation. The production of ROS is not only reported to cause cellular damage, but also to offer a putative discrimination between healthy and non-healthy cells. On the first part of this thesis work, we report the synthesis, characterization and biological evaluation of a dimeric Cu(II) complex bearing a N,O-donor salphen-like ligand ((E)-N-(2-(2-hydroxybenzylideneamino)phenyl)acetamide, L1) specifically designed to promote a fast Cu(II)/Cu(I) redox interconversion. In vitro assays outline the high potentiality of the complex to undergo ROS generation inside HeLa cells, and that it shows higher cytotoxicity in cancer than in normal cell lines. Besides, its interactions with some proteins have also been tested, showing that the formed protein-complex adducts do not represent any loss of biological activity respect to the complex itself. From this promising starting point, the Cu(II) complex of L1 ([Cu(L1)]2) serves as the backbone for the synthesis of two -chloro and -bromo analogs. The presence of electrowithdrawing groups intend to tune the redox behavior of the corresponding Cu(II) complexes, and concomitantly, their ROS generation capabilities. However, one of the main drawbacks faced with these two halogen-derived complexes was their poor solubility and bioavailability. Therefore, several functionalization strategies have been explored to overcome it. The first strategy aimed at increasing the solubility while maintaining the same Cu(II) coordination environment, i.e., the high redox activity observed for the initial [Cu(L1)]2 complex. In light of this, a sulfonate group and an Arginine residue have been selected based on their pKa and biological relevance. Secondly, and in order to enhance the delivery of the complex and the candidacy as future anticancer drug, specific improvement on the cellular uptake -ergo, on the cytotoxicity- has been attained by derivatizing [Cu(L1)]2 with two specific Arginine-rich Cell-Penetrating Peptides. Finally, the last part of our work opens the gate to the use of a versatile multimodal dendritic platform as a promising drug carrier. Its potentiality in drug delivery and its copper coordination capabilities have been thoroughly demonstrated. The conjugation approach of the [Cu(L1)]2 complex to the platform is also reported as a proof-of-concept of the versatility of this system for future tailor-made anticancer targeted therapies.