Synthese und Wirkoptimierung antitumoraler Platinkomplexe mit N-heterozyklischen Carbenen

Titelangaben

Rehm, Tobias:
Synthese und Wirkoptimierung antitumoraler Platinkomplexe mit N-heterozyklischen Carbenen.
2020 . - III, 180 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Seit dem Ende der 1970er Jahre besitzen Platinkomplexe wie Cisplatin eine führende Rolle in der Behandlung von Tumorerkrankungen, sind aber trotz fortschrittlicher Therapieschemata bis heute mit schweren Nebenwirkungen behaftet. Bei der Forschung nach immer neuen und besser verträglichen Zytostatika rückten zuletzt weitere Übergangsmetalle in den Fokus der Wissenschaft. Ein Grund dafür sind die mittlerweile gut erforschten und vor allem sehr variabel einsetzbaren N heterozyklischen Carbene (NHCs). Mit diesen als Liganden ergaben sich gänzlich neue Metallotherapeutika, mit besser justierbaren pharmakologischen Eigenschaften als jemals zuvor. In der vorliegenden kumulativen Dissertationsschrift ist in vier wissenschaftlichen Publikationen die Synthese und Wirkoptimierung antitumoraler Platinkomplexe mit solchen NHC-Liganden dargestellt. Dabei sollten unter Verwendung von NHCs neuartige, cisplatin ähnliche Strukturtypen entwickelt werden, die eine Alternative zu den etablierten Platinzytostatika bieten könnten. Einen synthetischen Zugang dazu lieferten – ausgehend von Imidazolium- bzw. Benzimidazoliumsalzen synthetisierte – cis-[PtIICl2(DMSO)(NHC)]-Komplexe wie 65 und 71. Deren labile, cis-ständige DMSO-Liganden wurden unter Erhalt der Stereochemie gegen andere Liganden ausgetauscht. Zunächst konnten Phosphine in cis-Position zu verschiedenen Imidazol- und Benzimidazol-NHC-Liganden eingeführt werden, wodurch die neutralen Komplexe 66 und 72 sowie mit einem Überschuss an PPh3 die geladenen Komplexe 67 und 73 erhalten wurden. Im Vergleich mit den beiden trans-Komplexen 68 und 69, die keine Interaktion mit DNA zeigten, wurden die neuen Verbindungen mit Hilfe einiger Kooperationspartner auf ihre Struktur-Wirkungs-Beziehung hin untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass die Phosphin-Komplexe, insbesondere die geladenen, eine ungewöhnliche Aggregation von DNA herbeiführen, während die Verbindungen mit DMSO-Liganden eine DNA-Bindung vergleichbar mit Cisplatin eingehen. Die Komplexe 71 73 mit sehr unterschiedlich substituierten Benzimidazol-NHC-Liganden, wiesen zudem im Bezug auf Größe und Lipophilie eine klare strukturelle Abhängigkeit ihrer zytotoxischen Eigenschaften auf, vorwiegend aufgrund der durch die Substituenten stark beeinflusste Zellaufnahme der Verbindungen. Ein solch starker Einfluss der Substituenten auf die Wirksamkeit der Komplexe weckte das Interesse, die DMSO- bzw. Phosphin-Liganden durch einen besser justierbaren, zweiten NHC zu ersetzen, mit dem die physikochemischen Eigenschaften noch präziser angepasst werden könnten. Zum Ausganspunkt dieser Arbeit waren allerdings nur symmetrische cis [PtIICl2(NHC)2]-Komplexe bekannt, woraufhin für die Synthese von neuartigen unsymmetrischen cis [PtIICl2(NHC)1(NHC)2]-Komplexen eine eigene Methode entwickelt werden musste. Durch Generierung eines freien NHC1 aus einem (Benz-)Imidazoliumsalz mit KOtBu in trockenem CH2Cl2 und anschließender Umsetzung mit einem cis [PtIICl2(DMSO)(NHC2)]-Komplex gelang es, eine Vielzahl unterschiedlichster Kombinationen von NHC-Liganden in cis Positionierung am Platin zu koordinieren. Die Zytotoxizität der zehn erhaltenen Komplexe 76 und 77 war, wie erwartet, stark abhängig von den eingesetzten NHC-Liganden und deren Substituenten. Besonders interessant war dabei die auffallend hohe Selektivität von 76h – mit einem Combretastatin A 4 (CA-4) abgeleiteten NHC-Liganden – gegenüber einigen ausgewählten Krebszelllinien. Die Robustheit der neu entwickelten Methode zeigte sich im Weiteren bei der Umsetzung mit stabileren, alkylierten Benzimidazol-Liganden, wobei die sterisch stark unterschiedlich abgeschirmten Komplexe 79 problemlos erhalten wurden. Neben einer Gegenüberstellung mit den analogen Imidazol-Komplexen sollten diese PtII Verbindungen auch als Ausgangssubstanzen für Oxidationsversuche dienen. PtIV Prodrugs wie die hierbei angestrebten, gelten als prinzipiell weniger toxische und selektivere Hoffnungsträger unter den Platinzytostatika, wurden aber in Verbindung mit NHC-Liganden bislang äußerst selten untersucht. Durch Umsetzung mit Iodbenzoldichlorid (PhICl2) konnten die PtIV Komplexe 80 sowie 81 mit sehr guten Ausbeuten erhalten werden. Versuche, cis,cis,trans [PtIVCl2(NHC)2(OH)2] bzw. [PtIVCl3(NHC)2(OH)] Komplexe zu synthetisieren, die zusätzliche Funktionalisierungen an den axialen Hydroxo-Liganden ermöglichen würden, scheiterten an einer intrinsischen Instabilität solcher Komplexe mit den hier eingesetzten Liganden. Allerdings konnte die kurzzeitige Existenz eines Komplexes mit der postulierten Struktur 82 mittels NMR-Spektren nachgewiesen werden. Bei der Untersuchung der zytotoxischen Wirkung war für die PtII Verbindungen 79 erneut ein starker Einfluss durch die Substituenten der NHC-Liganden und bei den PtIV-Komplexen 80 und 81 zudem eine Selektivität gegenüber Krebszellen im Vergleich zu nicht-malignen Fibroblasten zu erkennen. Überdies zeigten einige cis wie auch trans PtIV Komplexe sogar niedrigere mikromolare IC50 Werte als deren analoge PtII-Verbindungen.

Abstract in weiterer Sprache

Platinum complexes such as cisplatin have been at the forefront of tumor treatment since the late 1970s, but despite advanced therapies, they still present severe side effects. In the research for new and more tolerable cytostatic drugs, most recently further transition metals have become of interest in the scientific community. One reason for this growing interest are the by now well-researched and, above all, highly variable N heterocyclic carbenes (NHCs) as ligands which allow to synthesize entirely new metallotherapeutics with better adjustable pharmacological properties than ever before. In the present cumulative dissertation, four scientific publications illustrate the synthesis and optimisation of antitumoral platinum complexes with such NHC ligands. Applying NHCs, novel cisplatin-like structure types should be developed, which could offer an alternative to the established platinum cytostatics. A synthetic approach is given by cis-[PtIICl2(DMSO)(NHC)] complexes such as 65 and 71 – synthesized from imidazolium or benzimidazolium salts – whose labile cis-standing DMSO ligands are exchangeable for other ligands while retaining the stereochemistry of the complex. Thus, phosphines are introduced in cis-position to various imidazole and benzimidazole NHC ligands, yielding the neutral complexes 66 and 72 as well as the charged complexes 67 and 73 by applying an excess of PPh3. In comparison to the two trans-complexes 68 and 69 – which show no interaction with DNA – the new compounds were investigated for their structure-activity relationship in cooperation with scientific partners. It was observed that the phosphine complexes, the charged ones in particular, cause an unusual aggregation of DNA, while the compounds with DMSO ligands undergo a DNA binding comparable to that of cisplatin. Complexes 71-73 with very different substituted benzimidazole NHC ligands additionally show a clear structural dependence of their cytotoxic properties as they increase in size and lipophilicity. This is probably mainly due to the cellular uptake, which is strongly influenced by the substituents. Such a strong influence of the substituents on the efficacy of the complexes has awakened the desire to replace the DMSO or phosphine ligands by a more adjustable second NHC in order to adapt their physicochemical properties more precisely. However, only symmetrical cis-[PtIICl2(NHC)2] complexes were known at this point. For this reason, a unique method for the synthesis of novel unsymmetric cis-[PtIICl2(NHC)1(NHC)2] complexes needed to be developed. By generating a free NHC1 from a (benz)imidazolium salt and KOtBu in dry CH2Cl2 followed by the subsequent reaction with a cis [PtIICl2(DMSO)(NHC2)] complex, a variety of different combinations of NHC ligands in cis coordination at the platinum are obtained. The cytotoxicity of the ten resulting complexes 76 and 77 is strongly dependent on the coordinated NHC ligands and their substituents, as expected. The strikingly high selectivity on just a few cancer cell lines of 76h – carrying a combretastatin A-4 derived NHC ligand – is particularly interesting. Processing more stable alkylated benzimidazole ligands demonstrates the robustness of the newly developed method by delivering the sterically varied complexes 79 without any difficulties. In addition to a comparison with the analogue imidazole complexes, these PtII compounds should also serve as starting materials for oxidation experiments. The intended PtIV prodrugs are considered to be less toxic and more selective bearers of hope for platinum cytostatics but have so far rarely been investigated in association with NHC ligands. By reaction with iodobenzene dichloride (PhICl2) the PtIV complexes 80 and 81 are obtained in high yields. Attempts to synthesize cis,cis,trans-[PtIVCl2(NHC)2(OH)2] or [PtIVCl3(NHC)2(OH)] complexes, which would allow additional functionalization at the axial hydroxo ligands, failed due to an intrinsic instability of such complexes with the ligands used. However, the short-lived existence of a complex with the postulated structure 82 could be detected by NMR spectra. Examination of the cytotoxic effects reveal again a strong influence of the substituents of the NHC ligands for the PtII compounds and, in the case of the PtIV complexes also a selectivity towards cancer cells compared to non-malignant fibroblasts. In addition to that, some cis- as well as trans-PtIV complexes show even lower micromolar IC50 values than their analogous PtII compounds.