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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002916-3

Darstellung von neuartigen Pt(II)- und Au(I)-Komplexen sowie Glucoseacetalverbindungen und ihre Testung hinsichtlich der Hemmung von Selen-abhängigen Redoxenzymen, Zytotoxizität bzw. Wechselwirkungen mit DNA

  • Ein neuer vielversprechender Ansatz, die Resistenz von Tumorzellen gegen Zytostatika zu umgehen, stellte die Hemmung von selenhaltigen Redoxenzymen, Glutathionperoxidase (GPx) und Thioredoxinreduktase (TrxR), dar. Das Ziel dieser Arbeit war, neuartige GPx-Inhibitoren zu entdecken und zu entwickeln. Der erste Ansatz war die Synthese und biologische Testung einer Zuckeracetal-Struktur, die als GPx-1-Inhibitor postuliert wurde. Synthetische Abwandlungen ergaben vier Acetale aus Glucosederivaten und Benzaldehyden. Jedoch zeigten diese ersten hergestellten Verbindungen keinerlei Hemmwirkung auf die bovine GPx-1. Der zweite Ansatz war, bereits bekannte, schwach aktive Leitstrukturen durch Koordinierung von Pt(II) an den Heterozyklus (2-Methylimidazol, Imidazol oder Pyrazol) zu stärkeren Hemmstoffen der GPx abzuwandeln, wobei das Platin(II)-atom an das Selen des Enzyms koordiniert und dies irreversibel hemmt. Es wurde eine Substanzbibliothek aus 15 heterozyklischen Liganden synthetisiert, welche anschließend mit Cis- oder Transplatin zu den cis- bzw. trans-Monochlorido-Platin(II)-Komplexen umgesetzt wurden. So wurden 28 Platinverbindungen in guter Reinheit erhalten und verschiedenen biologischen Testungen unterzogen. Diese Testungen umfassten Versuche zur Hemmung der bovinen GPx-1, wobei jedoch festgestellt wurde, dass dieses Enzym nicht gehemmt wurde. Weiterhin wurde untersucht, ob die TrxR, ein weiteres Selen-abhängiges Redoxenzym, durch diese Verbindungen inhibiert wird, was teilweise der Fall war, auch wenn keine eindeutigen Struktur-Wirkungs-Beziehungen aufgestellt werden konnten. Die Pt(II) enthaltenden Substanzen wurden auch auf ihre Fähigkeit, die Proliferation von humanen Krebszelllinien zu hemmen, getestet. Es wurde festgestellt, dass einige der Verbindungen in der Lage sind, die Zellteilung mit IC50-Werten unterhalb 1 µM zu unterbinden. Dabei handelte es sich meist um cis-konfigurierte Platin(II)-Verbindungen, aber auch manche trans-Pt-Komplexe waren aktiv. Auch konnte gezeigt werden, dass der Zelluntergang durch Apoptose herbeigeführt wird Diese ermutigenden Ergebnisse belegen, dass ein Platinkomplex nicht zwangsläufig bifunktionell sein muss, um das Zellwachstum effektiv zu hemmen. Weiterhin wurde eine starke Kreuzresistenz zu Cisplatin nur bei ein paar Substanzen beobachtet, manche Verbindungen konnten die Kreuzresistenz sogar vollständig umgehen. Ein paar Struktur-Wirkungs-Beziehungen konnten beschrieben werden. Zwei cis-trans-Paare der Platin(II)-Komplexe wurden dann für weitergehende Bindungsstudien an DNA ausgewählt. Hierzu wurde die Bindung an Kalbsthymus-DNA untersucht, ebenso wie die Bindung an zelluläre DNA, das Aufwinden von supercoiled DNA, die Veränderung des DNA-Schmelzverhaltens und des Circulardichroismus (CD) von DNA durch Bindung der Platinkomplexe, sowie die Veränderung der Ethidiumbromid-Fluoreszenz durch Hinzugabe der Verbindungen. Es stellte sich heraus, dass die strukturell ähnlichen Verbindungen sehr unterschiedliche Einflüsse auf die DNA haben, was auch in Zusammenhang mit ihrem hydrolytischen Zerfall während der Assays stehen könnte. Da Stabilitätsprobleme bemerkt wurden, wurden die hergestellten Verbindungen mittels HPLC und UV/Vis-Spektroskopie genauer untersucht um ihre Stabilität in wässrigen Medien beurteilen zu können. Es wurde festgestellt, dass die verwendeten Hydrazone in wässrigen Medien zu Benzaldehyden bzw. Acetophenonen und wahrscheinlich zu den korrespondierenden Hydraziden zerfallen. Die Stabilität der Verbindungen könnte starke Einflüsse auf die Ergebnisse der biologischen Testungen haben, sodass dies immer mit berücksichtigt werden sollte, wenn die Ergebnisse interpretiert werden. Es kann nicht aus-geschlossen werden, dass (i) die dargestellten Ergebnisse in Wirklichkeit die Ergebnisse der Zerfallsprodukte sind, und dass (ii) es einen gemeinsamen Grund für den Zerfall und die Auswirkungen im DNA- und Zellmodell gibt. Trotzdem oder auch deswegen handelt es sich um eine vielversprechende Substanzklasse, bei der sich eine nähere Untersuchung hinsichtlich Aufnahme in die Zelle, DNA-Bindung und -Reparatur lohnt, um zu ergründen, ob Resistenzen umgangen werden können. Auch die Zerfallsprodukte sollten hinsichtlich ihrer biologischen Aktivität untersucht werden. Eine weitere Verbindungsklasse, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurde, waren N-heterozyklische Carben (NHC)-Au(I)-Komplexe. Sie basierten hauptsächlich ebenfalls wie die Platinverbindungen auf Hydrazonen, auch hier sollte durch die Koordinierung des Metallatoms an den Heterozyklus Imidazol eine Wirkungssteigerung erreicht werden. Die untersuchten Verbindungen zeigten eine starke Inhibition der GPx, der Glutathionreduktase (GR) sowie der TrxR. Eine Selektivität für ein bestimmtes Redoxenzym ist somit mit diesen Verbindungen nicht gegeben, weshalb sie keine guten Kandidaten für weitere Wirkstoffentwicklungen darstellen.
  • A promising new approach to circumvent resistance of cancer cells to anti-cancer drugs is the inhibition of the selenium containing redox enzymes glutathione peroxidase (GPx) and thioredoxin reductase (TrxR), which protect cancer cells from oxidative stress caused by chemotherapy. The goal of this project was to discover and develop new inhibitors of GPx. The first approach was the synthesis and testing of a sugar acetalic compound that was identified earlier as a potential inhibitor of bovine GPx-1. Structural modification produced four acetals from glucose derivatives and various benzaldehydes. However, these compounds did not inhibit the bovine GPx-1 in the least. The second approach was to modify already known but weakly active compounds by coordinating Pt(II) to their heterocycles (2-methylimidazole, imidazole or pyrazole) to act as more potent inhibitors of glutathione peroxidases; it was envisioned that the Pt(II) ion might coordinate strongly with the selenium atom of the active-site selenocysteine and inhibit the enyzme irreversibly. A compound library of 15 heterocyclic ligands was prepared, which were then reacted with cisplatin or transplatin to yield the corresponding cis- or trans- monochlorido platinum(II) complexes. In this way, 28 Pt(II) compounds were generated in sufficient purity and tested in several biological assays. While the compounds were initially designed as inhibitors of bovine GPx-1, it was soon realized that none of the Pt(II) complexes could inhibit this enzyme. Furthermore it was investigated if the TrxR, another selenium-dependent redox enzyme, might be inhibited; this was partly the case but no structure activity relationship could be established. Moreover, the Pt(II) complexes were tested regarding their ability to inhibit the proliferation of human cancer cell lines. It was found that some of the Pt(II) complexes can inhibit cell proliferation with IC50 values below 1 µM. For the most part, these were the cis-configured Pt(II) compounds but some trans-complexes were also active. Also it could be shown that cell death occurred by apoptosis. These encouraging findings indicate that platinum complexes don’t necessarily have to be bifunctional to inhibit cell proliferation effectively. Moreover, many of the compounds revealed no strong cross resistance to cisplatin, and some even circumvented cross resistance completely. Some distinct structure activity relationships were described. Two pairs of cis-trans isomers of the Pt(II) complexes were selected for further DNA binding studies. The binding of the compounds on isolated calf thymus DNA was investigated, as well as binding to cellular DNA, the unwinding of supercoiled DNA, the change of the melting temperature, circular dichroism and ethidium bromide quenching of DNA incubated with them. It turned out that these substances that bear only minor structural differences interact very differently with DNA, which might coincide with their hydrolytic degradation during the assays. Since stability problems were noticed, most synthesized compounds were further examined by HPLC and UV/Vis spectroscopy to assess their aqueous stability. It turned out that the hydrazones, which were a part of the molecules, decompose in aqueous media to benzaldehydes or ketones, respectively, and supposedly to the corresponding hydrazides. The compound stability could have influenced the results of the biological assays, which should be considered when interpreting them. It can’t be excluded that (i) the generated results are actually the results of the degradation products and that (ii) there is a common root cause for degradation and effects in the cellular and DNA assays. The synthesized substances can be considered as a promising substance class, where further investigations concerning cellular uptake, DNA binding and DNA repair are worthwhile to examine if resistances can be avoided. Also the degradation products should be tested for biological activity. A third compound class which was investigated for this thesis were N-heterocyclic carben Au(I) complexes. Like the Pt(II) complexes they are also based on hydrazone ligands, and also the coordination occurred through an imidazole ring to the metal atom. The generated compounds inhibited strongly GPx, TrxR and glutathione reductase. However, there was no selectivity for a particular redox enzyme, making these complexes not very good candidates for further drug development.

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Metadaten
Author: Heidi Lemmerhirt
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002916-3
Title Additional (English):Synthesis of novel Pt(II) and Au(I) complexes as well as glucose acetal compounds and the investigation regarding their inhibition of selenium dependent redox enzymes, cytotoxicity and interactions with DNA
Advisor:Prof. Dr. Patrick J. Bednarski
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2017/11/08
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2017/10/20
Release Date:2017/11/08
Tag:DNA, Krebsresistenz, Kreuzresistenz
DNA, cancer cells, chemical synthesis, cytotoxicity, platinum complexes
GND Keyword:Cytotoxizität, DNS, Goldkomplexe, Krebszelle, Platinkomplexe, chemische Synthese
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie