Synthesis of new 3D-n5-carboranyl and n5-methylcyclopentadienyl ruthenium complexes incorporating bipyridine (macro) ligands as promising anticancer agents

Tese de mestrado, Química (Química) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Cancer is considered one of the leading causes of death worldwide. Therefore, the search for potential anticancer drugs is nowadays a mandatory topic and many research groups focus their interests and efforts in this area. About 50-70 % of all tumors are treated with platinum based compounds (cisplatin, carboplatin and oxaliplatin) but due to several and severe side effects caused by these metallodrugs and to the resistance phenomena (acquired or intrinsic), complexes with metal ions other than platinum, have been widely investigated for their anticancer properties. In this frame, ruthenium appears as a strong candidate for drug development showing low toxicity, selectivity for tumors, inhibition of metastasis progression and antiangiogenic properties. Within this project, seven new organometallic compounds were synthesized and characterized. The successful formulation of these complexes, with general formula [Ru(η5-MeCp)(PPh3)(4,4’-R2-2,2’-bipy)]][CF3SO3] (1a, R = -CH3; 1b, R = -CH2OH; 1c, R = -O(CH2)3(CF2)7CF3; 1d, R = -CH2OPLA) or [3-CO-3,3-{k2-4,4’-R2-2,2’-bipy}-closo-3,1,2-RuC2B9H11] (2a, R = -CH3; 2b, R = -CH2OH; 2c, R = -CH2OPLA) was supported by spectroscopic (NMR, UV-Vis, FTIR), electrochemical (cyclic voltammetry) and structural (single crystal X-ray diffraction) data. When applicable, the purity was evaluated through elemental analysis. The stability of all compounds was tested by electronic spectroscopy using DMSO/DMEM as solvents, over a period of 24 hours. All complexes displayed an adequate stability (average of less than 6 % variation over a 24 hours period) which proved to be adequate to proceed to the in vitro biological screening assays. The partition coefficient in n-octanol/water, Pow, was also determined when the solubility of the compounds allowed it, showing that, generally, these compounds are lipophilic. The cytotoxicity of the complexes was evaluated in vitro in a panel of human cancer cell lines namely A2780 (human ovary adenocarcinoma), A375 (human melanoma), and RKO and SW480 (human colon adenocarcinoma), within a 24 h or 48 h incubation time. The results obtained for all the cell lines tested confirm the potential of these two families of compounds as anticancer agents in traditional chemotherapy (compounds 1a-1d) or in Boron Neutron Capture Therapy (BNCT, compounds 2a-2c).Considerado como uma das principais causas de morte no mundo inteiro, o cancro é visto como um conjunto de doenças genericamente caracterizado pelo crescimento descontrolado de células anormais que têm a capacidade de invadir regiões circundantes ao espaço onde se encontram e se espalhar pelo organismo. Apesar de, até à data, cerca de 50-70 % do tratamento de tumores se basear em fármacos de platina (cisplatina, oxaliplatina e carboplatina), a ocorrência de múltiplos e fortes efeitos secundários adversos e de processos de resistência (intrínseca ou adquirida) implica que se invista no desenvolvimento de novos agentes quimioterapêuticos. É neste sentido que alguns compostos organometálicos têm aparecido como alternativas bastante promissoras. Tem sido desenvolvida uma vasta linha de investigação em torno de outros iões metálicos e é neste contexto que surge o ruténio. Este metal é um potencial candidato para o desenvolvimento de novos fármacos a utilizar em quimioterapia, uma vez que apresenta baixa toxicidade, seletividade para os tumores, inibição da progressão de metástases e propriedades anti-angiogénicas. A conjugação da química de coordenação com a polimerização controlada tem vindo a dar resultados promissores na terapia do cancro. Esta é conseguida pela conjugação de centros metálicos com cadeias poliméricas, dando origem a potenciais fármacos macromoleculares, os PMCs ou polymer-metal conjugates. O design racional para o desenvolvimento destes compostos é baseado na capacidade que as macromoléculas têm para uma melhor permeação e retenção nos tumores (efeito EPR – Enhanced permeation and retention effect) relativamente às moléculas com baixo peso molecular. Para além disso, tem vindo a ser descrito que a conjugação de ligandos poliméricos aos compostos de platina já existentes comercialmente provoca um efeito sinérgico que induz a uma maior estabilidade do composto, o que pode levar a uma libertação mais controlada do centro metálico e, desta forma, diminuir a intensidade dos efeitos secundários inerentes ao fármaco sem o polímero. Foi neste âmbito que o Laboratório de Química Bio-organometálica da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, onde este trabalho foi realizado, desenvolveu uma nova geração de compostos organometálicos de ruténio à qual foi conjugada uma cadeia polimérica de polilactídeo (PLA, considerado um dos biopolímeros mais promissores hoje em dia, devido, em grande parte, à sua biodegradabilidade e biocompatibilidade), os RuPMCs. Verificou-se que a internalização do metal em células tumorais nos ensaios in vitro é superior quando comparada com a do seu análogo de baixo molecular não polimérico, o que permite concluir que o mecanismo de internalização é, provavelmente, diferente e pode estar eventualmente relacionado com a presença da cadeia polimérica. É então a partir dos promissores resultados obtidos que o desenvolvimento de fármacos macromoleculares ganha especial atenção. A terapia de captura de neutrões pelo boro (BNCT, do inglês Boron Neutron Capture Therapy) é um instrumento terapêutico atualmente em ensaios clínicos que pode ser utilizado no tratamento de diversos tumores. Baseia-se na administração de um composto que contenha o isótopo 10 do elemento boro (10B), seguido de irradiação local com neutrões térmicos, com consequente reação nuclear e libertação de alta transferência, através da libertação de partículas α e núcleos de lítio (7Li). Os produtos formados pela reação têm curto alcance e conseguem, desta forma, atingir apenas as células que incorporam o composto com boro. A grande vantagem associada à BNCT é o facto de se tratar de uma terapia localizada, a qual tem associada a si um número reduzido de efeitos colaterais. Porém, a necessidade de compostos com boro seletivos para as células tumorais deverá ser um dos requisitos prévios. Atualmente têm vindo a ser desenvolvidos e estudados vários compostos para aumentar a seletividade para as células cancerígenas. É então neste contexto que surge a concretização deste trabalho de mestrado que pretende conjugar o conhecimento de dois grupos de investigação especializados em síntese organometálica e inorgânica. O trabalho desenvolvido no âmbito desta tese baseou-se na síntese e caracterização de 7 novos compostos organometálicos de ruténio(II), baseados no fragmento η5-metilciclopentadienilo (MeCp) e η5-carboranil, contendo na sua estrutura derivados do ligando bidentado 2,2’-bipiridina. O desenvolvimento de duas novas famílias de compostos foi então conseguida com sucesso. A primeira, (Ru-MeCp), que deu origem a quatro complexos de fórmula geral [Ru(η5-MeCp)(PPh3)(4,4’-R2-2,2’-bipy)]][CF3SO3] (1a, R = -CH3; 1b, R = -CH2OH; 1c, R = -O(CH2)3(CF2)7CF3; 1d, R = -CH2OPLA) foi conseguida através da abstração de halogeneto com trifluorofosfato de prata (AgCF3SO3) no fragmento [Ru(η5-MeCp)(PPh3)2Cl]. A segunda, (Ru-carboranil), deu origem a três complexos estruturalmente semelhantes com fórmula geral [3-CO-3,3-{k2-4,4’-R2-2,2’-bipy}-closo-3,1,2-RuC2B9H11] (2a, R = -CH3; 2b, R = -CH2OH; 2c, R = -CH2OPLA). Estes compostos foram obtidos através da substituição de dois ligandos carbonilo presentes no percursor [3,3,3-(CO)3-closo-3,1,2-RuC2B9H11] através da adição do sal de óxido de trimetilamónio (Me3NO). Todos os compostos sintetizados foram caraterizados através da combinação de várias técnicas espetroscópicas, nomeadamente ressonância magnética nuclear uni- e bidimensionais (1H, 11B, 13C, 19F, 31P, COSY, HMBC e HMQC), UV-Vis e FTIR e, eletroquímicas (voltametria cíclica). Quando possível, uma caracterização mais completa foi conseguida graças à obtenção de monocristais adequados à técnica de difração de raios-X. O grau de pureza dos compostos foi determinado, quando adequado, através de análise elementar. A estabilidade em meio aquoso (fazendo uso do meio celular DMEM) e os valores do coeficiente de partição no sistema n-octanol/água (Pow) foram determinados para todos os compostos por espectroscopia eletrónica. No geral, verificou-se que os compostos apresentaram estabilidade adequada para prosseguir nos ensaios biológicos preliminares (regra geral, variações menores que 6 % ao final de 24 horas) e um carácter lipofílico. A citoxicidade dos complexos foi avaliada através de ensaios celulares in vitro nas linhas celulares A2780 (adenocarcinoma do ovário humano), A375 (melanoma humano), RKO e SW480 (adenocarcinoma do colon humano), durante um período de incubação de 24 horas ou 48 horas. Os valores de IC50 encontrados mostraram ser bastante promissores para todos os compostos podendo ser dada especial atenção a: o complexo 1a, que nesse período, mostrou ser duas vezes mais ativo que a cisplatina, nas mesmas condições experimentais; o complexo 1c mostrou preferencial seletividade para as linhas tumorais do cancro do cólon relativamente à linha celular normal da mucosa do colon humano, NCM460; e aos complexos 2a e 2c que mostraram ser pouco citotóxicos na linha celular onde foram estudados, comprovando assim a sua adequabilidade para o uso na terapia alternativa BNCT. No capítulo 3 são ainda descritas, de forma resumida, todas as tentativas de síntese que não levaram à obtenção do composto desejado. Todo o processo de otimização desbravado na síntese dos compostos possuidores do fragmento {Ru-C2B9H11} pode ser considerado como um bom ponto de partida para trabalhos futuros