Χρήση συμπλόκων ενώσεων ως μοριακών διακοπτών και ανιχνευτών στο DNA

Abstract

In the current thesis, we describe the design of metal complexes acting as DNA probes and potential chemotherapeutic agents. A series of novel metal complexes was synthesized and characterized using IR, NMR, UV-Vis and emission spectroscopy. The crystal structure of the complex [Re(CO)3(pq)(py)]PF6 has been determined by X-ray diffraction methods. We also studied their DNA-binding properties with a range of techniques such as CD, CV, viscosity measurements, Tm, UV-Vis and emission titration. Their DNA photocleavage ability and the in vitro antitumor effect against human breast (MCF-7), prostate (PC3) and glioblastoma (T98G) cancer were also studied. Moreover, their ability to inhibit PAF and to modulate the PAF-basic metabolic enzymes was studied.The complexes of the type fac-[Re(CO)3(a-diimine)L]0/+ interact with CT-DNA mainly via a groove binding mode, in contrast to the substituted dppz complex, which intercalates in the base pairs. Although the dppz complex interacts stronger than the other complexes and acts as a molecular light switch, it is difficult to promote the DNA photo-cleavage. The other a-diimine Re(I) complexes showed nicking of the plasmid pBR322 upon irradiation. Mechanistic studies revealed the necessity of the oxygen in the photocleavage ability of the pq complexes. The phendione complex cleaves the single strand through an independent oxygen mechanism.The tetra-rhenium porphyrin complex {H2TPyP[Re(CO)3(pq)]4}∙4PF6 strongly interacts with the DNA grooves. Its strong DNA-binding affinity is due to the electrostatic interactions with the phosphate backbone. The porphyrin complex is photocatalytically more reactive than the monomeric complex. The Gallium(III) porphyrin complex binds to DNA with outside self-stacking. Despite the low DNA-binding affinity of the metalloporphyrin, it showed a double strand breaks via a mechanism that involves single oxygen generation.In vitro cytotoxicity studies of the complexes against MCF-7, PC3 and T98G were determined using MTT assay. The coordination of the phendione with the Re(I) center significantly reduces the toxicity presented by the ligand. In contrast, pq complexes exhibit strong toxicity compared with the nontoxic free pq ligand. The data reveal the crucial role of the axial ligand and the charge of the complex of type [Re(CO)3(pq)(L)]0/+ (L=Cl, MeCN, py), in the cytotoxicity properties. The Ga(III) metalloporphyrin showed strong toxicity against MCF-7 and PC3 cell lines, but moderate toxicity against T98G cells.In contrast to the free ligands, complexes [Re(CO)3(phendione)Cl], [Re(CO)3[dppz(COOEt)2]Cl], and mainly the precursor molecule [Re(CO)5Cl] exhibit strong inhibition of PAF aggregation. Moreover, the complexes affect the PAF-biosynthetic enzymes, lyso-PAF-AT and PAF-CPT, whereas complex [Re(CO)3(phendione)Cl] affect the PAF catabolism.

Στην παρούσα διατριβή ουσιαστικά επιχειρείται ο σχεδιασμός και η μελέτη νέων συμπλόκων ενώσεων, που μπορούν να δράσουν ως μοριακοί ανιχνευτές στο DNA και πιθανοί χημειοθεραπευτικοί παράγοντες. Για το σκοπό αυτό συντέθηκε μια σειρά νέων συμπλόκων και χαρακτηρίστηκαν πλήρως με φασματοσκοπία IR, NMR, UV-Vis, ενώ οι φωτοφυσικές τους ιδιότητες μελετήθηκαν με φασματοσκοπία εκπομπής. Παρουσιάζεται επίσης η κρυσταλλική δομή του συμπλόκου [Re(CO)3(pq)(py)]PF6. Η αλληλεπίδρασή τους με το DNA μελετήθηκε με διάφορες τεχνικές όπως CD, ιξωδομετρία, CV, Tm, τιτλοδότηση UV-Vis και εκπομπής. Επιπλέον, μελετήθηκε η φωτο-διασπαστική τους ικανότητα και η in vitro αντικαρκινική τους δράση έναντι τριών καρκινικών σειρών ανθρώπινης προέλευσης. Επιπλέον, μελετήθηκε η δράση τους έναντι του PAF και των ενζυματικών του διεργασιών.Η αλληλεπίδραση των συμπλόκων του τύπου fac-[Re(CO)3(a-diimine)L]0/+ με CT-DNA γίνεται κυρίως μέσω συναρμογής στην αύλακα, εκτός από το - υποκατεστημένο με δύο εστερομέδες - dppz σύμπλοκο που η δέσμευση είναι παρεμβολικής φύσεως. Αν και το dppz παράγωγο αλληλεπιδρά ισχυρότερα από τα υπόλοιπα σύμπλοκα του τύπου αυτού και συμπεριφέρεται ως μοριακός διακόπτης φωτός, εντούτοις είναι δύσκολο να προκαλέσει άμεση φωτοδιάσπαση του DNA. Τα υπόλοιπα διιμινικά σύμπλοκα του Re(I) προκαλούν ικανοποιητική διάσπαση του ενός κλώνου του πλασμιδιακού pBR322 DNA. Μηχανιστικές μελέτες έδειξαν ότι τα pq σύμπλοκα διασπούν του DNA μέσω παραγωγής δραστικών ειδών οξυγόνου. Το φαινανθρολινικού τύπου σύμπλοκο προκαλεί φωτοδιάσπαση ανεξάρτητη από το οξυγόνο.Οι DNA-δεσμευτικές μελέτες του νέου τετραρηνικού πορφυρινικού συμπλόκου {H2TPyP[Re(CO)3(pq)]4}∙4PF6 έδειξαν ισχυρή αλληλεπίδραση με την αύλακα του DNA. Η μιας τάξης μεγέθους μεγαλύτερη σταθερά σύνδεσης του με το DNA, συγκριτικά με τα μονομερή σύμπλοκα οφείλεται στις ισχυρές ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις με τις φωσφορικές ομάδες του σκελετού του DNA. Το πορφυρινικό αυτό παράγωγο επιδεικνύει περισσότερο αποτελεσματική φωτοδιάσπαση του πλασμιδίου pBR322, συγκριτικά με τα παραπάνω σύμπλοκα του τύπου fac-[Re(CO)3(a-diimine)L]0/+. Η μεταλλοπορφυρίνη (TPyP)GaCl δεσμεύεται εξωτερικά μέσω στοιβάγματος στο DNA. Η χαμηλή συγγένεια δέσμευσης, δεν επηρεάζει την ικανότητα του συμπλόκου να επάγει την διάσπαση και των δύο κλώνων του πλασμιδίου, μέσω μηχανισμού που περιλαμβάνει την παραγωγή μονήρους οξυγόνου.Χρησιμοποιώντας την ΜΤΤ μέθοδο, μελετήθηκε η in vitro κυτταροτοξική δράση των συμπλόκων έναντι τριών καρκινικών σειρών ανθρώπινης προέλευσης, μαστού (MCF-7), προστάτη (PC3) και γλοιοβλάστωμα (T98G). Η σύμπλεξη του Re(I) μειώνει σημαντικά την τοξικότητα του ελεύθερου υποκαταστάτη phendione. Αντίθετα, τα pq σύμπλοκα επιδεικνύουν ισχυρή τοξικότητα, συγκριτικά με τον ελεύθερο pq υποκαταστάτη που είναι μη τοξικός. Τα αποτελέσματα των συμπλόκων του τύπου [Re(CO)3(pq)(L)]0/+ (όπου L=Cl, MeCN, py), υποδεικνύουν την κρισιμότητα του αξονικού υποκαταστάτη και του φορτίου του συμπλόκου στην κυτταροτοξικότητα τους. Η πορφυρίνη του Ga(III) έδειξε ισχυρή τοξικότητα έναντι των MCF-7 και PC3 κυττάρων και μέτρια τοξικότητα έναντι των T98G κυττάρων.Τα σύμπλοκα [Re(CO)3(phendione)Cl] και [Re(CO)3[dppz(COOEt)2]Cl], αλλά κυρίως το πρόδρομο σύμπλοκο [Re(CO)5Cl] παρουσιάζουν ισχυρή αναστολή της συσσώρευσης των αιμοπεταλίων που προκαλείται από τον PAF, σε αντίθεση με τους ελεύθερους υποκαταστάτες. Επιπλέον, τα σύμπλοκα επιδρούν στα βιοσυνθετικά ένζυμα του PAF, lyso-PAF-AT και PAF-CPT, ενώ το [Re(CO)3(phendione)Cl] αυξάνει τη δραστικότητα του καταβολικού ενζύμου LP-PLA2.