Biochemische Charakterisierung und Wirkoptimierung potentieller Chemotherapeutika auf Basis der natürlichen Chinone Doxorubicin und Thymochinon

Titelangaben

Effenberger-Neidnicht, Katharina:
Biochemische Charakterisierung und Wirkoptimierung potentieller Chemotherapeutika auf Basis der natürlichen Chinone Doxorubicin und Thymochinon.
Bayreuth , 2011
( Dissertation, 2011 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Eine Reihe von natürlichen Chinonen weist eine Vielzahl an pharmakologisch sehr interessanten Eigenschaften auf, antitumorale Aktivitäten eingeschlossen. Das etablierte Chemotherapeutikum Doxorubicin beispielsweise – ein Sekundärmetabolit von Streptomyces peucetius var. caesius – findet seine klinische Anwendung bei der Behandlung verschiedenster Krebserkrankungen wie etwa Leukämien, Lymphomen, Karzinomen und Sarkomen. Dennoch ist die Verwendung von Doxorubicin als Chemotherapeutikum durch seine Kardiotoxizität und die Ausbildung von Resistenzen limitiert. Um diese Nebenwirkungen möglichst gering zu halten, ist die kumulative Dosis auf 550 mg / m² festgesetzt. Durch geeignete Derivatisierung von Doxorubicin mit verschiedenen gesättigten und ungesättigten bzw. Terpen-terminierten Fettsäuren sollten unerwünschte Nebenwirkungen – wie etwa die Anfälligkeit gegenüber Mehrfachresistenzen – minimiert werden, ohne jedoch einen Verlust der Wirksamkeit zu riskieren. Das Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe biochemischer Arbeitsmethoden diejenigen Wirkstoff-Kandidaten zu finden und zu charakterisieren, die diese Kriterien erfüllen. Es konnten Doxorubicinderivate identifiziert werden, die in der Lage waren, limitierende Mehrfachresistenzen zu überwinden: Besonders erwähnenswert ist das Heptadecansäure-Doxorubicinhydrochlorid-Hydrazon, das anders als die übrigen Fettsäurederivate eine deutliche Wachstums-inhibierende Wirkung gegen die verschiedenen Tumor-Zelllinien aufweist. Zudem übertrifft es aufgrund einer geringeren Anfälligkeit gegenüber dem ABC-Transportprotein P-gp die Wirkung von Doxorubicin an mehrfachresistenten KB-V1/VBL Zervixkarzinom-Zellen um das 3-Fache. Die lange Fettsäureseitenkette dient dabei als eine Art Anker. Die Wirkungsweise von Doxorubicin und seinen Derivaten ist vorwiegend apoptotisch, wobei sowohl klassische Wege als auch alternative Wege über das Endoplasmatische Retikulum und die Generierung von reaktiven Sauerstoffradikalen (ROS) und Ceramiden beteiligt sind. Weiterhin konnte auch für die meisten Derivate die zelluläre DNA als Haupt-Target identifiziert werden. Die Interkalation der Derivate in die DNA führt aufgrund der Blockierung von DNA-bindenden Enzymen zu einem Verbleib der Zellen in der DNA-Replikation-Phase und somit zur Auslösung der Apoptose. Auch einfache Verbindungen wie das p-Benzochinon Thymochinon – Bestandteil des Schwarzkümmel-Extraktes (Nigella sativa) – sind aufgrund von antioxidativen und antitumoralen Effekten potentielle Kandidaten zur Weiterentwicklung zum Chemotherapeutikum. Durch die Funktionalisierung von Thymochinon mit verschiedenen gesättigten und ungesättigten bzw. Terpen-terminierten Fettsäuren sollte die geringe antitumorale Wirkung verbessert werden; die Derivate sollten wiederum mithilfe geeigneter biochemischer Arbeitsmethoden charakterisiert werden. Es konnten einige Derivate identifiziert werden, die die Wirkung und Selektivität der Ausgangsverbindung bei Weitem überschreiten: Einerseits zeigt das DHA-Thymochinon mit Langzeit-IC50-Werten im nano-molaren Bereich überdurchschnittliche Effektivität bei gleichzeitig verbesserter Tumorselektivität. Andererseits weist das (–)-Mentholderivat die geringste MDR-Sensitivität, also die geringste Anfälligkeit gegenüber ABC-Transportern auf. Die Wirkungsweise von Thymochinon und seinen Derivaten ist vorwiegend apoptotisch; es werden sowohl klassische als auch alternative Wege der Apoptose-Initiation angesprochen. Als Haupt-Wirkort von konnten DNA- bzw. RNA-reiche Regionen im Zellkern identifiziert werden.

Abstract in weiterer Sprache

There is a series of naturally occurring quinones with a variety of pharmacologically interesting properties including anti-tumour activities. The Streptomyces metabolite doxorubicin is one of the most common anti-cancer agents for the treatment of human tumours namely leukaemia, lymphoma, carcinoma and sarkoma, although its clinical use is limited due to side effects such as cumulative cardiac toxicity and multi-drug resistances. To improve the effectiveness with simultaneous circumvention of the drawbacks, doxorubicin was covalently linked to saturated or unsaturated and terpenyl-terminated fatty acids. The aim of this work was the characterisation of these new doxorubicin N-acyl hydrazones using biochemical methods to identify drug candidates who meet the above criteria. Thus, two derivatives were found that were able to overcome limiting multi-drug resistances: Particularly noteworthy is the doxorubicin heptadecanoyl hydrazone, which causes a significant growth-inhibitory effect against the different tumour cell lines compared with doxorubicin. In P-gp-over-expressing KB-V1/VBL cervix carcinoma cells it is three times more effective than doxorubicin through breaching multi-drug resistances. The long fatty acid group can act as an anchor. The mode of action of doxorubicin and its conjugates is mainly apoptotic including the activation of the apoptosis-relevant caspases as well as through the generation of reactive oxygen species (ROS) or ceramides. Similar to doxorubicin, the main target of the new doxorubicin N-acyl hydrazones is the cellular DNA. By intercalation into cellular DNA they can block DNA-binding enzymes causing an arrest during the replication phases (s-phase) leading to apoptosis. Since thymoquinone, the main bioactive constituent of the volatile black seed oil (Nigella sativa), displays weak anti-tumour activity, and due to other properties such as anti-oxidative and anti-neoplastic effects there is growing interest in its therapeutic potential. Analogously to doxorubicin, thymochinone was covalently linked to saturated or unsaturated and terpenyl-terminated fatty acids to improve its generally low anti-cancer activity. The most promising candidates among the derivatives were identified and characterised using biochemical methods. There were several conjugates with improved efficacy and selectivity compared with thymoquinone: On the one hand, 6-(hencosahexaenyl)-thymoquinone, which shows nano-molar IC50 values, revealed a dramatical boost of the growth-inhibiting effect in all tumour cells. On the other hand, 6-(menthoxy-butyl)-thymoquinone was even least affected by the multi-drug-relevant ABC-transporters P-gp and BCRP. Including the parent compound all derivatives induced apoptosis associated with DNA fragmentation, changes in mitochondrial membrane potential, the generation of ROS and the activation of caspases. The main target of thymoquinone seems to be DNA- and RNA-rich regions within the cellular nucleus.