Βιολογικά ενεργές, μεικτές, διφωσφονικές και φθορίζουσες καρβοξυλικές ενώσεις με συστατικά της βιταμίνης Ε

Abstract

Τα τελευταία χρόνια οι μεικτές ενώσεις της τοκοφερόλης με δικαρβοξυλικά οξέα παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγο της αποπτωτικής / αντικαρκινικής τους δράσης. Στην παρούσα διατριβή συντέθηκαν και χαρακτηρίστηκαν νέες μεικτές ενώσεις- καρβοξυλικοί εστέρες των συστατικών της βιταμίνης Ε- ιχνηθετημένες με φθορίζουσες ομάδας έτσι ώστε να είναι δυνατή η οπτική παρακολούθηση της δράσης των μορίων αυτών στα κύτταρα και στους βιολογικούς ιστούς. Η προσθήκη διφωσφονικών ομάδων στις μεικτές ενώσεις είχε ως σκοπό οι ενώσεις αυτές να στοχεύουν τα οστά και να ενισχύεται / συνδιάζεται η αντιοστεολυτική και η αποπτωτική δράση των διφωσφονικών και της γ-τοκοτριενόλης αντίστοιχα, παρεμποδίζοντας με αυτό τον τρόπο την καρκινική μετάσταση. Επίσης αποδείχθηκε με τη μέθοδο της κρυσταλλογραφίας ακτίνων-Χ πως η δομή των διφωσφονικών παίζει σημαντικό ρόλο στη δέσμευση του ασβεστίου στα οστά σε χαμηλό pH παρόμοιο με αυτό στο οποίο δρουν οι οστεοβλάστες και οι οστεοκλάστες. Συγκεκριμένα στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε: I) Σύνθεση, χαρακτηρισμός και μελέτη της δραστικότητας μόνο- και δικαρβοξυλικών παραγώγων των συστατικών της βιταμίνης Ε ιχνηθετημένων με φθορίζουσες στύρυλο πυριδινικές ενώσεις προκειμένου να μελετηθεί διεξοδικά η βιοδιαθεσιμότητά τους σε φυσιολογικούς και νεοπλασματικούς ιστούς. Ο χαρακτηρισμός των μορίων πραγματοποιήθηκε στο διάλυμα με φασματοσκοπίες πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, ορατού-υπεριώδους και φθορισμού. Οι ενώσεις αυτές βρέθηκαν να είναι σταθερές φωτοχημικά και ως προς την υδρόλυση του εστερικού δεσμού. Το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός τροποποιήθηκε με αλλαγή των ομάδων διαφορετικής ηλεκτροαρνητικότητας που συνδέονται στα δύο άκρα της φθορίζουσας στύρυλο ομάδας. Η προσθήκη Βr στη β- θέση του ηλεκτρικού οξέος, εκτός από αύξηση της σταθερότητας του μορίου είχε σαν αποτέλεσμα τη μετατόπιση του μήκους κύματος εκπομπής στην περιοχή του κοντινού υπερύθρου κάνοντας τα μόρια αυτά ιδανικά για μελέτη στους ιστούς λόγω της μεγαλύτερης διαπερατότητας της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός πως οι τροποποιήσεις αυτές έγιναν χωρίς να αυξηθεί το μέγεθος των μορίων. Οπτική μελέτη κυττάρων μετά την έκθεσή τους στις ουσίες αυτές έδειξε ότι συγκεντρώνονται εκλεκτικά στα μιτοχόνδρια και τα χρωματίζουν καλύτερα από σκευάσματα που κυκλοφορούν στο εμπόριο. Επίσης, μελετήθηκε η αντιοξειδωτική ικανότητα των νέων μεικτών φθορίζοντων εστέρων από την οποία βρέθηκε ότι τα εστεροποιημένα παράγωγα είναι λιγότερο δραστικά από τα αντίστοιχα συστατικά της βιταμίνης Ε όσον αφορά την ικανότητα αναστολής του DPPH•. II) Σύνθεση και μελέτη μεικτών παραγώγων της Βιταμίνης Ε με διφωσφονικές ομάδες με απώτερο σκοπό τη μεταφορά τους στο μικροπεριβάλλον των οστών και την παρεμπόδιση της καρκινικής μετάστασης. Για πρώτη φορά στον τομέα της συνθετικής Χημείας πραγματοποιήθηκε με επιτυχία συνένωση των ισχυρά αντικαρκινικών ιδιοτήτων των μορίων της βιταμίνης Ε μαζί με τις αντιοστεολυτικές ιδιότητες των διφωσφονικών οξέων. Η ικανότητα δέσμευσης των ΤοκοΕστέρων από τα κόκκαλα ελέγχθηκε συνθετικά με την τροποποίηση της διφωσφονικής ομάδας, συγκεκριμένα με την παρουσία ή όχι της 1’-OH ομάδας και με τη σύνθεση των διφωσφονικών εστέρων. Οι βιολογικές μελέτες έδειξαν ότι η αντικαρκινική δράση των διφωσφονικών εστέρων που δεν περιέχουν 1’-OH είναι ισχυρότερη από τη δράση των αντίστοιχων διφωσφονικών οξέων. Αυτό αποδόθηκε στη μικρότερη συγγένεια των εστέρων να προσδένονται στα οστά σε σχέση με τα ελεύθερα οξέα. III) Συμπλοκοποίηση διφωσφονικών με μεταλλοϊόντα Ca2+, Na+, Cs+ και Eu3+ και χαρακτηρισμός των ενώσεων που προκύπτουν με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Η βιολογική δραστηριότητα των διφωσφονικών ενώσεων εξαρτάται αποκλειστικά από τη δομή, την τρισδιάστατη διάταξη της πλευρικής τους αλυσίδας στο χώρο και το pH. Η διαπίστωση αυτή καθιστά το δομικό χαρακτηρισμό ως το σημαντικότερο πλέον εργαλείο όσον αφορά την κατανόηση του μηχανισμού δέσμευσης στα οστά. (....)

Over the past few years tocopherol - dicarboxylate conjugated compounds are of particular interest because of the apoptotic / anticancer activity that they exhibit. In the present study, novel carboxylic esters of Vitamin E labeled with fluorescent groups were synthesized and characterized so as to allow their visual monitoring in cells and biological tissues. The addition of bisphosphonate groups to these mixed compounds is expected to direct them towards the bone environment and also to enhance / combine the antiosteolytic and apoptotic action of bisphosphonates and gamma-tocotrienol respectively, preventing in this way cancer metastasis. It was also demonstrated by the method of X-ray crystallography that the bisphosphonate structure plays an important role in the binding of calcium to bone at low pH, similar to that in which osteoblasts and osteoclasts act. Specifically in this thesis we accomplished the following: I) Synthesis, characterization and study of the activity of mono- and dicarboxylic derivatives of vitamin E labeled with fluorescent styryl pyridine compounds in order to study extensively their bioavailability in normal and cancer tissues. The molecules were characterized in solution using nuclear magnetic resonance, ultraviolet-visible and fluorescence spectroscopy. These compounds were found to be stable both photochemically and towards the hydrolysis of the ester bond. The wavelength of the emitted light was modified by varying the electronegativity of the groups attached at both ends of the fluorescent styryl compound. The β-addition of bromine to the succinic acid not only increases the stability of the molecule but also shifts the emission wavelength in the near infrared making these molecules ideal for tissue study due to greater permeability of the infrared radiation. Noteworthy is the fact that these modifications were made without increasing the size of the molecules. Optical study of cells after exposure to these substances showed that they selectively concentrate in mitochondria and that the quality of staining is better than stains that are commercially available. Furthermore, the antioxidant properties of the novel fluorescent esters were evaluated and the results showed that the esterified molecules were less effective than the free molecules in scavenging DPPH•. II) Synthesis and study of mixed derivatives of Vitamin E with bisphosphonates so as to target bone microenvironment and inhibit cancer metastasis. For the first time in the field of synthetic chemistry, the powerful anticancer properties of the molecules of vitamin E were successfully combined with the antiosteolytic properties of bisphosphonic acids. The binding ability of TokoEsters to bone was tested synthetically by modifying the bisphosphonate group, specifically by the presence or absence of the 1’-OH group. Biological studies have shown that the anticancer activity of bisphosphonate esters not containing the 1’-OH group is stronger than the activity of the corresponding bisphosphonic acids. This was attributed to lower affinity of the ester to bind to bone relative to the free acids. III) Complexation of bisphosphonates with metal ions such as Ca2+, Na+, Cs+ and Eu3 + and characterization of the compounds obtained by X-ray crystallography. The biological activity of bisphosphonates depends exclusively on the structure, the three-dimensional arrangement of the side chain and the pH. (.....)