Thesis (Ph.D.)--Boston University

Câncer é uma das principais causas de mortes no mundo. Foi responsável por aproximadamente 8,2 milhões de óbitos em 2012 e estima-se 13,2 milhões de mortes em 2030, o que o posiciona como um problema de saúde pública. A quimioterapia torna-se necessária para o tratamento, pois regride o crescimento tumoral e diminui as chances de metástases, as quais são responsáveis por 90% dos óbitos decorrentes do câncer. Linhagens tumorais que apresentam alta expressão de proteínas antiapoptóticas da família Bcl-2 mostram-se resistentes à ação de quimioterápicos antineoplásicos disponíveis na terapêutica. Portanto, o desenvolvimento de compostos que inibem essas proteínas, torna-se interessante para o tratamento do câncer. A queleritrina, um alcaloide presente em diversas espécies da família Papaveraceae, representa um atraente protótipo para o desenvolvimento de inibidores de Bcl-2, visto que esta molécula apresenta atividade citotóxica por meio da inibição da Bcl-XL, proteína supressora da apoptose. Face ao exposto, o objetivo deste trabalho foi sintetizar análogos da queleritrina planejados por simplificação molecular e testar sua atividade citotóxica. A síntese dos compostos foi realizada em duas etapas, com metodologias baseadas em reações de adição nucleofílica com posterior redução. Os análogos foram caracterizados por espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) 1H e 13C, cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) e análise elementar (CHN). A citotoxicidade dos compostos sintetizados e da queleritrina foi avaliada por meio do método de determinação da viabilidade celular por biorredução do sal de tetrazólio (MTT) nas linhagens não-tumorigênicas HUVEC e LL24, e nas linhagens tumorais Jurkat, SK-Mel-28 e A549. Os resultados obtidos no ensaio de citotoxicidade demonstraram que os compostos sintetizados não possuem citotoxicidade significante nas concentrações testadas. Ao avaliar o potencial citostático dos compostos frente à linhagem mutirresistente A549, o composto 2f (3-OH e 4-OH) apresentou atividade antiproliferativa interessante na concentração de 75 µM. Por não apresentar toxicidade em células não tumorais, o composto 2f mostra-se mais seletivo do que seu protótipo. Estudos de modelagem molecular sugerem que a perda da planaridade da queleritrina seja o principal responsável pela diminuição da atividade biológica. Dessa forma, embora os compostos tenham apresentado propriedades biológicas diferentes da esperada, os resultados obtidos podem auxiliar no planejamento de novas moléculas com atividade e seletividade potencialmente superiores à queleritrina, representando assim, potenciais candidatos a fármacos que podem ampliar o arsenal terapêutico para o tratamento de neoplasias. / Cancer is a leading cause of death and was responsible for approximately 8.2 million of deaths in 2012 and 13.2 million of demises are estimated for 2030, which made cancer a public health problem. Chemotherapy is required for cancer treatment, because it decreases the chances of metastasis and regresses tumor growth. However, tumor cell lines which overexpress anti-apoptotic Bcl-2 proteins present resistance to most of anticancer drugs. In this context, the development of molecules with inhibitory activity against these proteins is a promising therapeutic strategy for cancer treatment. Chelerythrine, an alkaloid distributed in several species of Papaveraceae family, has shown considerable antiproliferative activity due to inhibition of Bcl-XL anti-apoptotic protein, which represents an attractive prototype to anticancer drug design. Then, the aim of this study was to synthesize chelerythrine analogues designed by molecular simplification and evaluate their cytotoxic activity. The synthetic strategy was performed into two steps, with methodologies based on nucleophilic addition reaction followed by reduction. The compounds were characterized by 1H and 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, high performance liquid chromatography (HPLC) and elemental analysis (CHN). The cytotoxic activity of the analogues were evaluated through MTT assay, a colorimetric assay for assessing cell viability, against human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) and lung fibroblasts (LL24) as non-tumorigenic cell lines, and also against tumor cell lines, such as human lymphoblastoid (Jurkat), human melanoma cells (SK-Mel-28) and carcinomic human alveolar basal epithelial cell line (A549). The compounds have not shown significant citotoxicity at the tested concentrations. However, the evaluation of cytostatic activity on multiresistant A549 cell line has demonstrated an antiproliferative potential of compound 2f (3-OH and 4-OH) at 75 µM. Since compound 2f (3-OH and 4-OH) did not show citotoxicity on non-tumorigenic cell lines, it presented higher selectivity than chelerythrine. Molecular modeling results indicate that the lack of planarity of the chelerythrine analogues might be responsible for their lower citotoxicity. Thus, it is expected that the results might help directing the design of new compounds with superior activity and more selective than chelerythrine, thereby representing potential drug candidates, which may enhance the therapeutic arsenal for cancer treatment.

Câncer é uma das principais causas de mortes no mundo. Foi responsável por aproximadamente 8,2 milhões de óbitos em 2012 e estima-se 13,2 milhões de mortes em 2030, o que o posiciona como um problema de saúde pública. A quimioterapia torna-se necessária para o tratamento, pois regride o crescimento tumoral e diminui as chances de metástases, as quais são responsáveis por 90% dos óbitos decorrentes do câncer. Linhagens tumorais que apresentam alta expressão de proteínas antiapoptóticas da família Bcl-2 mostram-se resistentes à ação de quimioterápicos antineoplásicos disponíveis na terapêutica. Portanto, o desenvolvimento de compostos que inibem essas proteínas, torna-se interessante para o tratamento do câncer. A queleritrina, um alcaloide presente em diversas espécies da família Papaveraceae, representa um atraente protótipo para o desenvolvimento de inibidores de Bcl-2, visto que esta molécula apresenta atividade citotóxica por meio da inibição da Bcl-XL, proteína supressora da apoptose. Face ao exposto, o objetivo deste trabalho foi sintetizar análogos da queleritrina planejados por simplificação molecular e testar sua atividade citotóxica. A síntese dos compostos foi realizada em duas etapas, com metodologias baseadas em reações de adição nucleofílica com posterior redução. Os análogos foram caracterizados por espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) 1H e 13C, cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) e análise elementar (CHN). A citotoxicidade dos compostos sintetizados e da queleritrina foi avaliada por meio do método de determinação da viabilidade celular por biorredução do sal de tetrazólio (MTT) nas linhagens não-tumorigênicas HUVEC e LL24, e nas linhagens tumorais Jurkat, SK-Mel-28 e A549. Os resultados obtidos no ensaio de citotoxicidade demonstraram que os compostos sintetizados não possuem citotoxicidade significante nas concentrações testadas. Ao avaliar o potencial citostático dos compostos frente à linhagem mutirresistente A549, o composto 2f (3-OH e 4-OH) apresentou atividade antiproliferativa interessante na concentração de 75 µM. Por não apresentar toxicidade em células não tumorais, o composto 2f mostra-se mais seletivo do que seu protótipo. Estudos de modelagem molecular sugerem que a perda da planaridade da queleritrina seja o principal responsável pela diminuição da atividade biológica. Dessa forma, embora os compostos tenham apresentado propriedades biológicas diferentes da esperada, os resultados obtidos podem auxiliar no planejamento de novas moléculas com atividade e seletividade potencialmente superiores à queleritrina, representando assim, potenciais candidatos a fármacos que podem ampliar o arsenal terapêutico para o tratamento de neoplasias. / Cancer is a leading cause of death and was responsible for approximately 8.2 million of deaths in 2012 and 13.2 million of demises are estimated for 2030, which made cancer a public health problem. Chemotherapy is required for cancer treatment, because it decreases the chances of metastasis and regresses tumor growth. However, tumor cell lines which overexpress anti-apoptotic Bcl-2 proteins present resistance to most of anticancer drugs. In this context, the development of molecules with inhibitory activity against these proteins is a promising therapeutic strategy for cancer treatment. Chelerythrine, an alkaloid distributed in several species of Papaveraceae family, has shown considerable antiproliferative activity due to inhibition of Bcl-XL anti-apoptotic protein, which represents an attractive prototype to anticancer drug design. Then, the aim of this study was to synthesize chelerythrine analogues designed by molecular simplification and evaluate their cytotoxic activity. The synthetic strategy was performed into two steps, with methodologies based on nucleophilic addition reaction followed by reduction. The compounds were characterized by 1H and 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, high performance liquid chromatography (HPLC) and elemental analysis (CHN). The cytotoxic activity of the analogues were evaluated through MTT assay, a colorimetric assay for assessing cell viability, against human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) and lung fibroblasts (LL24) as non-tumorigenic cell lines, and also against tumor cell lines, such as human lymphoblastoid (Jurkat), human melanoma cells (SK-Mel-28) and carcinomic human alveolar basal epithelial cell line (A549). The compounds have not shown significant citotoxicity at the tested concentrations. However, the evaluation of cytostatic activity on multiresistant A549 cell line has demonstrated an antiproliferative potential of compound 2f (3-OH and 4-OH) at 75 µM. Since compound 2f (3-OH and 4-OH) did not show citotoxicity on non-tumorigenic cell lines, it presented higher selectivity than chelerythrine. Molecular modeling results indicate that the lack of planarity of the chelerythrine analogues might be responsible for their lower citotoxicity. Thus, it is expected that the results might help directing the design of new compounds with superior activity and more selective than chelerythrine, thereby representing potential drug candidates, which may enhance the therapeutic arsenal for cancer treatment.

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Traditionally, inoperable or metastatic cancers have been treated by causing massive DNA damage in order to induce self-destruction (apoptosis) of the rapidly multiplying cancer cells. Initially, this strategy works for many cancers, in particular those which express normal p53 tumor suppressor protein. However, most cancers eventually aquire mutations in either p53 or other signaling molecules and fail to initiate apoptosis in response to severe DNA damage. During this study three types of compounds were investigated for their DNA damaging and anticancer effects: a pair of novel metal containing compounds, a pair of natural products, and a known synthetic drug which had been used many years ago for completely different indication. It was shown that all stop the growth of cancer cells and that the latter two classes do not require functional p53 because they work equally well in cells with normal (wildtype), mutant or no p53. The two nickel complexes investigated in this dissertation, differ in their ability to cause DNA damage and cell death. The oxidized form of the nickel complex, [Ni(CR-2H)] 2+ causes DNA damage and cell death at a much lower concentration than its reduced counterpart [Ni(CR)] 2+ . The phenanthridine alkaloids, Sanguinarine and Chelerythine cause high levels of DNA strand breaks and extremely rapid apoptosis which is not due to DNA damage because the quick onset precludes extensive signaling. The effects of the phenanthridines were linked to production of large amounts of reactive oxygen species (ROS), in particular hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). The importance of ROS for the action of anticancer drugs as well as antibiotics is increasingly being recognized. In addition we also investigated the thioxanthone Lucanthone or Miracil D (which was used for the treatment of parasitic worms more than 50 years ago). It causes DNA strand breaks and apoptosis. Apoptosis occurs on a timescale consistent with signaling. However, p53 does not seem to be involved and alternative mechanisms are being investigated. This work provides new directions for designing novel anticancer drugs that are not subject to the limitations of DNA damaging agents.