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Novel concepts and strategies in anticancer metallodrug development

Meier, Samuel (2013) Novel concepts and strategies in anticancer metallodrug development.
Dissertation, Universität Wien. Fakultät für Chemie
BetreuerIn: Keppler, Bernhard

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29963.37117.598770-0
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Abstract in Englisch

Some ruthenium and osmium complexes are promising anticancer drug candidates and the preparation of organometallic RuII and OsII complexes, stabilized by a η6-coordinating arene, represents the latest strategy for obtaining anticancer active metallodrugs with an intriguing activity profile. This PhD thesis reports on the discovery of novel tumour-inhibiting RuII– and OsII–arene metallodrugs and on studies aimed at understanding the molecular interactions of established anticancer agents and drug candidates with biomolecules. Although this field of research is intensely investigated, S,N-bidentate ligand-containing RuII and OsII metallodrugs are reported for the first time. The ligands are based on 2-pyridinecarbothioamides, which show activity as gastric mucosal protectants and are largely non-toxic in vivo (J. Med. Chem., 1990, 33, 327–336). Complexation to the organometallic moiety, however, yields highly cytotoxic metallodrugs in the chemoresistant colon carcinoma and multidrug-resistant non-small lung cancer cell lines. Their aqueous behaviour and drug-likeness properties suggest that this novel family of organometallic anticancer agents may be suitable for oral administration. Additionally, studies with the nucleosome core particle showed that these metallodrugs bind exclusively to the histone proteins at histone dimer–dimer and dimer–tetramer interfaces and therefore, may interfere with chromatin dynamics as a possible mode of action. Organometallic RuII–arene metallodrugs based on O,O-bidentate pyronato ligands typically show low antiproliferative activity. Intriguingly, triazolyl-modified pyrones coordinated to RuII–p-cymene yield highly cytotoxic agents in vitro. The strategy of triazolyl modification was followed to prepare the first organometallic Ru–peptide bioconjugate with cytotoxic activity in the low micromolar range in an ovarian cancer cell line. The metal–peptide bioconjugate was thoroughly characterized by different methods including top-down electrospray ionization-mass spectrometry (ESI-MS). Mass spectrometry is an invaluable tool in the analysis of molecular interactions between metallodrugs and biomolecules, such as DNA or proteins and their constituents. Furthermore, the molecular reactivity may give insight into the mode of action of a particular metallodrug or family of metallodrugs. Within the frame of this Ph.D. thesis, mass spectrometric techniques have been used to characterize the reactivity of representative (thio)pyr(id)onato RuII–p-cymene metallodrugs towards amino acids, nucleotides and proteins and an inverse correlation was found between extent of protein binding and antiproliferative activity, at least for these families of metallodrugs. Furthermore, the analysis of metallation sites of metallodrugs on proteins by mass spectrometric methods poses significant challenges in many cases due to low adduct detection efficiencies. Top-down mass spectrometric analysis is a promising approach to determine oxaliplatin binding sites on ubiquitin and different fragmentation techniques were investigated with the combination of higher energy C-trap dissociation (HCD) and electron transfer dissociation (ETD) tandem mass spectrometry yielding the highest information content. This approach led to the confirmation of methionine-1 as the primary and histidine-68 as the secondary binding site.

Abstract in Deutsch

Manche auf Ruthenium und Osmium als Zentralatomen basierende Koordinationsverbindungen haben sich als vielversprechende tumorhemmende Wirkstoffkandidaten erwiesen. Derzeit stellen organometallische RuII und OsII Komplexverbindungen—durch einen η6-koordinierenden Arenliganden stabilisiert—die bis dato modernste Forschungsstrategie dar, um solche Wirkstoffe zu erhalten. Im Rahmen dieser Dissertation wurden neuartige, tumorhemmende RuII– und OsII–Aren Verbindungen entdeckt und in Bezug auf ihre molekularen Wechselwirkungen mit Biomolekülen untersucht. Letzteres wurde vorab anhand klassischer Metallverbindungen etabliert. Obwohl dieser Forschungsbereich bereits intensiv untersucht wird, wird hier das erste Mal von S,N-bidentaten organometallischen RuII und OsII Wirkstoffkandidaten berichtet. Die Liganden basieren dabei auf 2-Pyridinkarbothioamiden, denen Magenschleimhaut-schützende Wirkung und sehr geringe in vivo Toxizität nachgewiesen wurde (J. Med. Chem., 1990, 33, 327–336). Koordination an den organometallischen Rest ergibt äußerst zytotoxische Verbindungen in chemoresistenten Kolonkarzinom- und multidrug-resistenten Lungenkarzinomzelllinien. Ihr Verhalten in wässriger Lösung und ihre ‚drug-likeness‘ legen den Schluss nahe, dass diese neuartige Familie von organometallischen tumorhemmenden Wirkstoffen zur oralen Applikation geeignet sein dürfte. Zudem zeigten Untersuchungen mit dem Nukleosompartikel, dass diese Metallverbindungen ausschließlich an Histon Dimer–Dimer und Dimer–Tetramer Grenzflächen der Histonproteine binden. Dies könnte auf eine Beeinträchtigung von Chromatindynamiken als möglichen Wirkmechanismum deuten. Organometallische RuII–Aren Verbindungen, basierend auf O,O-bidentaten Pyronatoliganden, zeigen typischerweise eine sehr geringe antiproliferative Aktivität in vitro. Es wird hier jedoch gezeigt, dass RuII–p-Cymol Verbindungen mit Triazolyl-modifizierten Pyronatoliganden erhebliche zytotoxische Wirkung aufweisen. Die Strategie der Triazolyl-Modifikation wurde verfolgt, um das erste organometallische Ru–Peptid Biokonjugat mit zytotoxischer Aktivität im niederen mikromolaren Bereich zu erhalten. Dieses Biokonjugat wurde mittels verschiedender Methoden, einschließlich top-down Elektrosprayionisations-Massenspektrometrie (ESI-MS), umfassend charakterisiert. Massenspektrometrie (MS) ist ein außerordentlich wertvolles Werkzeug zur molekularen Analyse von Wechselwirkungen zwischen Metallverbindungen und Biomolekülen, wie z.B. DNA, Proteinen und deren Bestandteilen. Die molekulare Reaktivität von metallbasierenden tumorhemmenden Wirkstoffen und Wirkstofffamilien kann Erkenntnisse über deren Wirkmechanismus liefern. Im Rahmen dieser Dissertation wurden MS-basierende Techniken neben der Charakterisierung von neuen Verbindungen oder wie oben beschrieben von Peptidkonjugaten auch zur Analyse der Reaktivität von repräsentativen tumorhemmenden (Thio)Pyr(id)onato RuII–p-Cymol Metallverbindungen gegenüber Aminosäuren, Nukleotiden und Proteinen verwendet. Eine inverse Korrelation zwischen dem Ausmaß der Proteinaffinität und der antiproliferativen Aktivität konnte für diese metallhältigen Verbindungsfamilien festgestellt werden. Die Bestimmung der Bindungsstelle von Metallionen an Proteinen durch massenspektrometrische Methoden stellt eine erhebliche analytische Herausforderung dar, die vielfach durch eine niedrige Effizienz der Adduktdetektion bedingt ist. Es konnte gezeigt werden, dass top-down MS als eine vielversprechende Herangehensweise gelten kann, um z.B. die Bindungsstellen von Oxaliplatin an Ubiquitin (ub) zu bestimmen. Die Kombination der Fragmentierungsmethoden höher energetischer C-Fallen Dissoziation (HCD) und Elektrontransferdissoziation (ETD) erzielte dabei den höchsten Informationsgehalt. Dadurch konnte Methionin-1 als primärer und Histidin-68 als sekundärer Bindungspartner bestätigt werden.

Schlagwörter in Deutsch

Chemotherapie / Krebs / Massenspektrometrie / Metallorganische Verbindungen / Metall-Peptidkonjugation / Orale Aktivität / Osmium / Ruthenium

Dokumentenart: Hochschulschrift (Dissertation)
AutorIn: Meier, Samuel
Titel: Novel concepts and strategies in anticancer metallodrug development
Untertitel: towards oral activity, peptide conjugation and mass spectrometric applications
Umfangsangabe: XII, 132 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Chemie
Publikationsjahr: 2013
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Keppler, Bernhard
2. BetreuerIn: Hartinger, Christian
BeurteilerIn: Gerner, Christopher
2. BeurteilerIn: Ott, Ingo
Klassifikation: 35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie
35 Chemie > 35.60 Metallorganische Verbindungen
35 Chemie > 35.40 Anorganische Chemie: Allgemeines
AC-Nummer: AC10813363
Dokumenten-ID: 27441
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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