Část 1: Protirakovinná aktivita přírodních a syntetických chalkonů

Pro více informací Kontakttina.xiang@wecistanche.com

Abstraktní: Rakovinaje stav způsobený mnoha mechanismy (genetické, imunitní, oxidační a zánětlivé).Protinádorová terapiemá za cíl zničit nebo zastavit růst rakovinných buněk. Rezistence na léčbu je hlavní příčinou neúčinnosti současných standardních terapií. Cílené terapie jsou nejúčinnější díky nízkému počtu nežádoucích účinků a nízké rezistenci. Mezi přírodními sloučeninami s malými molekulami jsou flavonoidy zvláště zajímavé pro identifikaci nových protirakovinných látek. Chalkony jsou prekurzory všech flavonoidů a mají mnoho biologických aktivit. Protirakovinná aktivita chalkonů je způsobena schopností těchto sloučenin působit na mnoho cílů. Přírodní chalkony, jako jsou licochalkony, xanthohumol (XN), pandurát (PA) a lonkokarpin, byly rozsáhle studovány a modulovány. Modifikace základní struktury chalkonů za účelem získání sloučenin s vynikajícími cytotoxickými vlastnostmi byla provedena modulací aromatických zbytků, nahrazením aromatických zbytků heterocykly a získáním hybridních molekul. Bylo získáno velké množství chalkonových derivátů se zbytky, jako je diarylether, sulfonamid a amin, jejichž přítomnost je příznivá pro protirakovinnou aktivitu. Modifikace aminoskupiny ve struktuře aminochalkonů je vždy příznivá proprotinádorovéaktivita. To je důvod, proč byly získány hybridní molekuly chalkonů s různými dusíkatými heterocykly v molekule. Z nich jsou pro identifikaci nových protirakovinných látek zvláště důležité azoly (imidazol, oxazoly, tetrazoly, thiazoly, 1,2,3-triazoly a 1,2,4-triazoly).

Klíčová slova: chalcon; azol; rakovina; buněčná linie; bioaktivita; interakce ligand-receptor

Kliknutím se dozvíte další účinky produktů

1. Úvod

Rakovinaje významným problémem veřejného zdraví, který má malý počet účinných terapií, špatnou prognózu a vysokou úmrtnost [1]. Mnoho rakovinných buněk se metabolicky přizpůsobuje Warburgovu efektu, který zahrnuje zvýšenou absorpci glukózy a živin a produkci kyseliny mléčné, a to i za aerobních podmínek. [2] Přesná znalost epidemiologie nádorových onemocnění poskytuje zásadní informace o možných příčinách a trendech populace tohoto onemocnění a umožňuje příznivou intervenci k identifikaci účinných metod prevence, monitorování a diagnostiky. [3] Etiologie nádorových onemocnění je ovlivněna dědičnými faktory a faktory prostředí. Například u rakovinných buněk byla pozorována změněná genetická informace |4]. Z tohoto důvodu velké množství studií charakterizovalo genomové změny u rakoviny od onkogenních signálních drah tvořících buňky až po spektrum mutací v různých podtypech rakoviny[5]. Navíc v onkogenních procesech jsou zánětlivé a imunitní dráhy korelovány s četnými buněčnými a humorálními složkami a mají společné signální dráhy. V případě zánětu spojeného s nádorovými onemocněními jsou procesy dlouhé a závažné. [6] Je známo, že zánět a rakovina spolu souvisí dvěma způsoby: vnitřní cestou a vnější cestou. Vnější dráha je aktivována zahájením onkologických procesů tímzánět. V případě vnitřní dráhy aktivují somatické deficity a genetické mutace signální dráhy a způsobují zvýšení zánětlivé odpovědi [7]. Dalším determinantem rakoviny je aktivace imunitního systému, která je v korelaci s mnoha metabolickými cestami v rakovinných buňkách [8]. U onkologických pacientů se denně uvolňuje do oběhu velké množství buněk. Pro tvorbu metastáz nádorové buňky opouštějí primární místo, vstupují do krevního řečiště, jsou vystaveny tlaku krevních cév, adaptují se na sekundární buněčné prostředí a interferují s imunitními buňkami 9]. Proliferace rakovinných buněk je také způsobena akumulací forem kyslíku, které mají schopnost deformovat makromolekuly a indukovat buněčnou smrt [10]. Reaktivní formy kyslíku a dusíku (ROS/RNS) jsou produkovány zánětlivými buňkami a epiteliálními buňkami. ROS/RNS způsobují pod tlakem zánětlivého procesu denaturaci DNA v orgánech a způsobují iniciaci karcinogeneze. Bylo prokázáno, že poškození DNA, zejména 8-oxo-7,8-dihydro-2'-deoxyguanosinu a 8-nitroguanidinu, je molekulárním mechanismem rakoviny[ 11]. Buněčná apoptóza neboli programovaná buněčná smrt je jednou ze základních metod regulace karcinogeneze a je kontrakcí buňky, která indukuje fragmentaci DNA a kondenzaci chromatinu [12,13]. Existují dvě základní apoptotické dráhy (smrt receptoru a mitochondriální dráhy). Mnoho studií identifikovalo mnoho potenciálních cílů protinádorové terapie [14]. Působení na tyto cíle má za cíl zničit nebo zastavit růst rakovinných buněk [15]. Kaspázy, skupina cysteinových proteáz, které degradují buněčné proteiny, jsou důležitými cíli protinádorové terapie, protože hrají zásadní roli v apoptotické signalizaci [16]. Dráha PI3K/AKT je také považována za jeden z klíčových mechanismů zapojených do buněčné migrace, invaze a přechodu přes plicní mezenchymální epitel. Tato signální dráha je navíc spojena s proliferací a metastázami u karcinomů ledvin, apoptózou buněk u karcinomů hltanu a ovlivňuje progresi rakovinných buněk v dutině [17].

Racionálním cílem protinádorových terapií je působit na rakovinné buňky bez ovlivnění nenádorových buněčných složek nebo nádorového mikroprostředí [18]. Rakovinné buňky vytvořené z normálních buněk je obtížné selektivně léčit konvenčními chemoterapeutickými činidly. Tyto látky působí prostřednictvím různých mechanismů, jako je blokování buněčného cyklu v různých fázích, indukce apoptózy a zabránění proliferaci rakovinných buněk a zasahování do metabolického přeprogramování [19]. Chemoterapie i radioterapie vyvolávají deformaci DNA a způsobují zablokování buněčného cyklu nebo buněčnou smrt. Nová generace protinádorových terapií je však založena na zvýšení vnitřních účinků nádorových buněk začleněním látek s jedinečným mechanismem účinku nebo látek, které mají známý vnitřní způsob vytváření rezistence vůči terapii [20].

Cytotoxická léčiva se dělí podle mechanismu účinku na alkylační činidla, těžké kovy (platina), antimetabolity, cytotoxická antibiotika a blokátory buněčného cyklu. Většina cytotoxických sloučenin působí na integritu DNA a buněčné dělení v rakovinných buňkách [21]. Klinické použití platinových komplexů jako doplněk vprotirakovinná terapieje založena na jejich schopnosti způsobit smrt nádorových buněk, protože tyto sloučeniny mají širokou škálu aktivit |22]. Důvody neúčinnosti protinádorových terapií jsou metastázy, recidivy, heterogenita, rezistence na chemoterapii a ozařování a snížená kapacita imunitního systému. Všechna tato terapeutická selhání lze vysvětlit charakteristikami rakovinných kmenových buněk [23-25]. Mezenchymální kmenové buňky jsou typem buněk běžně používaným v regenerativní medicíně. Je známo, že tyto buňky mají supresivní účinky na rakovinné buňky [26]. Hlavním limitujícím faktorem v léčbě onkologických pacientů je nadále rezistence na terapii. Současné standardní terapie (chirurgie, chemoterapie a radioterapie) jsou nedostatečné kvůli nežádoucím a toxickým účinkům, nesnášenlivosti pacientů a nízké míře dlouhodobého přežití [27-30]. Chirurgická terapie a radiační terapie mají za cíl vymýtit lokalizované karcinomy a pokročilá stadia onemocnění lze kontrolovat pouze chemoterapií [31]. V procesu transportu biologicky aktivní sloučeniny může její difúze produkovat nespecifické interakce, které povedou ke snížení účinnosti a nežádoucím reakcím [32]. Z protinádorových terapií jsou cílené terapie nejúčinnější, protože mají nízký počet vedlejších účinků, dobrou životaschopnost, podávají se nízké dávky a terapeutická rezistence se obtížněji instaluje [33]. Například nanomedicína se úspěšně používá jako vehikulum pro cílený transport imunostimulačních činidel k usnadnění protinádorové imunitní reakce. Ke snížení toxicity protinádorové imunoterapie byla zkoumána řada strategií. Nanoformulace antigenů, cytokinů, chemokinů, nukleotidů a agonistů Toll-like receptorů vykazovaly příznivé výsledky [34]. V současné době přitahuje rostoucí zájem identifikace nových alternativních terapeutických činidel, která jsou účinnější a mají méně toxické účinky. Dosažení tohoto cíle je náročné vzhledem ke složitosti nádorových formací [35]. Monoklonální protilátky a chemoprevence přírodními sloučeninami jsou dva důležité směry pro léčbu a prevenci rakoviny [36]. Jednou ze zásadních strategií v tomto ohledu je použití biologicky aktivních fytochemikálií, protože mají nízkou toxicitu a pleiotropní účinky v různých buněčných procesech, které interferují se vznikem a progresí rakoviny. Zásah do karcinogeneze prostřednictvím stravy nebo suplementace přírodními sloučeninami se nazývá chemoprevence [37-41]. Bylo identifikováno přes 3000 rostlinných sloučenin s protirakovinnými vlastnostmi [42]. Mezi těmito sloučeninamiflavonoidymají četné zástupce s cytotoxickými vlastnostmi na mnoho typů lidských rakovinných buněk a chybí nebo mají snížené nepříznivé účinky na normální buňky [43]. Flavonoidy jsou polyfenolické sloučeniny a představují třídu biologicky aktivních sekundárních metabolitů v rostlinách se základní strukturou difenylpropanu (C6-C3-C6) a které mají nízkou molekulovou hmotnost. Jsou biosyntetizovány z fenylpropanoidu a chalkony jsou prvními flavonoidy, které vznikly [44-51]. Společným prekurzorem flavonoidů je fenylalanin a za klíčové enzymy pro jejich biosyntézu se považují syntetáza vápníku, isomeráza vápenatá a hydrolázy flavanu 3 [52-56]. U mnoha flavonoidů tvoří můstek pyranový nebo byronický kruh [57]. V závislosti na základní struktuře se tyto sloučeniny dělí na chalkony, aurony, flavanony, flavony, isoflavony, dihydroflavonoly, flavonoly, leukoantokvanidiny, antokyanidiny a flavan-3-oly (obrázek 1)[58-61].

Strukturní diverzita těchto sloučenin je odvozena od kombinovaných účinků enzymů biosyntézy flavonoidů s různými katalytickými a specifickými funkcemi [62]. Dietní konzumace flavonoidů je spojena se sníženým rizikem chronických onemocnění, jako jsou kardiovaskulární onemocnění, neurodegenerativní onemocnění, astma, autoimunitní onemocnění a rakovina (zejména rakovina plic, prostaty, žaludku a prsu)[63-71]. O flavonoidech je také známo, že mají mnoho biologických aktivit, jako jsou antialergické, protizánětlivé, antibakteriální, antikarcinogenní, antioxidační, antidiabetické, antihypertenzní, imunomodulační, hepatoprotektivní, antiobezitní, hormonální (např. estrogenní aktivita) a vlastnosti proti stárnutí[72-85]. Existuje mnoho studií, které ukazují, že flavonoidy potlačují růst nádorových buněk in vitro a in vivo [86]. Má se za to, že přírodní sloučeniny s malou molekulou ve třídě flavonoidů mají pozoruhodné fyziologické účinky, nemají v lidském těle mutagenní vlastnosti a přitahují rostoucí zájem o identifikaci nových protirakovinných látek. Mezi protirakovinné mechanismy flavonoidů patří inhibice buněčného růstu a proliferace blokováním buněčného cyklu, indukcí apoptózy a diferenciace nebo kombinací těchto mechanismů [87,88]. Epidemiologické studie navíc ukazují, že přírodní flavonoidy mají silný antioxidační potenciál spojený s nízkým výskytem rakoviny [89,90]. Antioxidační aktivita flavonoidů je výsledkem jejich schopnosti darovat atomy vodíku z hydroxylových skupin volným radikálům, což je mechanismus usnadněný rozšířenou konjugací udělovanou II elektrony z flavonoidů [91]. Je známo, že flavonoidy mají významnou antioxidační kapacitu na superoxidové anionty, hydroxylové radikály a peroxyradikály. Flavonoidy jsou navíc účinnější než kyselina askorbová při neutralizaci volných radikálů produkovaných oxidačním stresem [92]. V posledních letech byla rozpoznána a zkoumána protirakovinná aktivita flavonoidů, zejména jejich antimetastatické vlastnosti. Byl indikován jejich klinický potenciál v protinádorové léčbě. Například LFG-500(C30H32N2O5) je syntetický flavonoid s protizánětlivými a protirakovinnými vlastnostmi. Tato sloučenina má také antimetastatický potenciál 93]. Bioaktivita flavonoidů závisí na jejich stupni hydroxylace, strukturní třídě, povaze a poloze existujících substituentů, konjugacích a stupni polymerace [94]. Mnoho dietních flavonoidů je přítomno v glykosidické formě, kde je sacharid navázán na fenolovou nebo hydroxylovou skupinu sloučeniny [95,96]. Struktura sacharidů je určujícím faktorem pro biologickou dostupnost flavonoidů [97]. Flavonoidy jsou v současnosti základními složkami různých farmaceutických, kosmetických a léčivých přípravků [98,99]. Nízká toxicita těchto sloučenin je považována za hlavní výhodu této třídy[100]. V některých případech je glykosylace flavonoidů zodpovědná za snížení toxických a nežádoucích účinků těchto sloučenin [101].

Chalkony (13-difenyl-2-propen-1-jeden) jsou jednou z nejdůležitějších tříd flavonoidních sloučenin přítomných v ovoci, zelenině a čaji [102] a představují biogenetické prekurzory flavonoidů a isoflavonoidů [103]. Jsou to lipofilní fytochemikálie složené ze dvou aromatických zbytků (aldehydu a acetofenonu) spojených ,-nenasyceným karbonylovým systémem tří atomů uhlíku (obrázek 2)[102,104].

-nenasycená karbonylová skupina je dobrým Michaelovým akceptorem a účastní se nukleofilních adic [105]. Chalkony se nacházejí ve dvou izomerních formách (cis a trans), přičemž transformace je termodynamicky stabilnější a implicitně je u těchto sloučenin převládající konfigurace (obrázek 3) [106-108].

Důležitost těchto sloučenin vyplývá z jejich jednoduché chemie, snadné syntézy a schopnosti nahradit velké množství atomů vodíku, čímž vzniká obrovské množství biologicky aktivních derivátů [109]. Důležitým aspektem souvisejícím s chalkony je možnost těchto sloučenin snadno vytvářet vazby uhlík-uhlík, uhlík-síra a uhlík-dusík, které jsou prekurzory pro syntézu různých heterocyklických sloučenin, jako jsou pyrimidiny, pyridiny, benzodiazepiny, pyrazoly, 2-pyrazoliny, imidazoly a všechny ostatní flavonoidy|110-114. Izomerizace chalkonů na odpovídající flavanony v přítomnosti kyselin nebo zásad vysvětluje důležitost těchto sloučenin jako ligandů (obrázek 4)[115]. Například Pandey a kol. získali 5-nitro-flavanony refluxováním 2-hydroxychalkonů v přítomnosti koncentrované kyseliny sírové [116].

Díky své flexibilní struktuře se chalkony mohou účinně vázat na mnoho enzymů a receptorů, což vysvětluje mnoho biologických aplikací těchto sloučenin [117]. Dalším vysvětlením farmakologických aktivit těchto sloučenin je konjugace mezi dvojnou vazbou a karbonylovou skupinou přítomnou ve struktuře [118]. Bioaktivity chalkonů jsou závislé na poloze, počtu a povaze substituentů na dvou aromatických zbytcích (aldehyd a acetofenon). Údaje z literatury ukazují, že bylo identifikováno velké množství přírodních a syntetických chalkonů s klinickými a farmaceutickými aplikacemi, tyto sloučeniny mají protirakovinné, antibakteriální, antivirové, antipyretické, antihypertenzní anti-Alzheimerovy, protizánětlivé, anti-HIV, antioxidační, protivředové, estrogenní a neuroprotektivní aktivity. Chalkony mají schopnost inhibovat -glukosidázu, MAO-B (monoaminooxidázu), tubulin a tyrosinkinázu [118-137]. Na druhé straně mají chalkony za určitých podmínek oxidační vlastnosti. Tento účinek může být spojen s protinádorovou aktivitou těchto sloučenin a je založen na mechanismech, jako je zvýšená tvorba superoxidu, deplece buněčného glutathionu a tvorba fenoxidových radikálů. Dostupné studie navíc prokázaly cílenou aktivitu chalkonů na četné kinázy, mikrotubuly, proteiny rezistentní na polyterapii a různé signální dráhy spojené s přežitím a smrtí buněk [138]. Zajímavá struktura těchto sloučenin a různé biologické aktivity vedly ke schválení nových léků ze třídy chalkonů, jako je metochalcon (antikoleretikum) a sofalcon (lék proti vředům) (obrázek 5) [139,140].

Údaje z literatury naznačují, že nahrazení aromatických zbytků chalkonů heterocykly určuje tvorbu molekul se speciálními biologickými vlastnostmi [141].

Hybridní molekuly mají schopnost řešit problém rezistence vůči terapii díky skutečnosti, že různé farmakofory mají více mechanismů účinku. Protože hybridizace molekul je důležitou metodou pro identifikaci nových terapeutických látek, existuje v klinických studiích řada hybridních molekul [142]. Například zavedení atomu dusíku příznivě modifikuje zásaditost molekul a určuje možnost vytvoření silných vazeb s cíli. Další důležitou modifikovanou vlastností je polarita, kterou lze využít ke snížení lipofilního charakteru, způsobující solubilizaci ve vodě a příznivou orální absorpci [143].

Bylo pozorováno, že biologicky aktivní organické molekuly s dusíkem v molekulách mají dobré protirakovinné vlastnosti. Mezi molekulami s dusíkem mají morfoliny a piperidiny důležité účinky na různé typy rakoviny[144]. Yadav a kol. získali triazolové chalkony s významným protirakovinným potenciálem na lidských buněčných liniích [145]. Příklady, kde je zavedení farmakoforu příznivé pro biologickou aktivitu sloučenin, jsou některé hydridové chalkony se zbytky chinazolinu, bifenidátu a indolu v molekulách. Nově vytvořené molekuly mají schopnost stanovit reverzibilitu rezistence na terapii v případě karcinomů prsu [146]. Dusíkem substituované benzimidazolové chalkony s alkylovým zbytkem nebo pěti nebo šestičlenným heterocyklem mají také významné cytotoxické účinky na adenokarcinom prsu (MCF-7) a karcinom vaječníků (OVCAR-3). Dalšími hydridovými molekulami s nadstandardní cytotoxickou aktivitou na lidských buněčných liniích (MCF-7, MA-PA-Ca2 lidské rakovinné buňky slinivky, A549 plicní adenokarcinom, HepG2 lidské rakovinné buněčné linie) jsou 1,2,3-triazolové chalkony. Hybridní thiazolové sloučeniny indukují apoptózu blokováním G2/S fáze buněčného cyklu a snížením mitochondriálního potenciálu na MIA-PA-Ca2 buněčných liniích u rakoviny slinivky [147]. Studie mechanismů účinku pro 1,2A-triazol chalkony ukazují, že mají schopnost indukovat apoptózu zvýšením hladin proteinu Bax, uvolněním cytochromu C z mitochondrií a aktivací kaspáz 3, 8 a 9[148]. Účelem tohoto článku je shrnout experimentálně a in silico získané informace o protirakovinné aktivitě některých přírodních a syntetických chalkonů.

2. Claisen-Schmidtova reakce

Nejrozšířenější metodou pro získání syntetických chalkonů je Claisen-Schmidtova kondenzační reakce (obrázek 6). Jedná se o aldolizační-kolonizační reakci mezi deriváty acetofenonu s aromatickými aldehydy. Reakce probíhá v silně kyselé nebo bazické katalýze za homogenních podmínek [149-152].

Pro získání chalkonů je efektivnější použití alkalického média [153]. Claisen-Schmidtova kondenzace v bazickém prostředí zahrnuje tvorbu acetofenonového aniontu s následným napadením karbonylové skupiny acetofenonu[154]. Reakce probíhá s výtěžky mezi 10 procenty a 60 procenty . Kondenzace se provádí při 50 stupních, reakční doba je 12-15 h nebo jeden týden při pokojové teplotě [155]. Nevýhody této metody jsou nemožnost regenerace katalyzátoru, tvorba sekundárních sloučenin, nedostatečná selektivita, dlouhá reakční doba, extrémní reakční podmínky a obtížnost izolace produktů [156]. Byly identifikovány nové typy heterogenních katalyzátorů (Lewisovy kyseliny, Bronstedovy kyseliny, pevné kyseliny a pevné báze) pro syntézu chalkonů s vysokou selektivitou. Použití těchto katalyzátorů zabraňuje vedlejším reakcím, jako je Cannizarova kondenzační reakce nebo Michaelova adice [157]. Navíc, aby se zabránilo nepřiměřené reakci aldehydu, byl učiněn pokus nahradit jej benzylidendiacetátem [155]. Další příklady reakcí pro získání chalkonů jsou Heckova karbonylační kondenzační reakce, Sonogashirova izomerizace a kondenzační reakce, deuterační reakce s kontinuálním tokem, Suzuki-Myaura kondenzační reakce a syntézní reakce zprostředkovaná pevným kyselým katalyzátorem [158-160].

Kliknutím na odkaz získáte část 2:https://www.xjcistanche.com/news/part2-anticancer-activity-of-natural-and-synt-54977563.html

Kliknutím na odkaz získáte část 3:https://www.xjcistanche.com/news/part3-anticancer-activity-of-natural-and-synt-54978140.html