Anticancer organometallic Complexes of Ru (II): synthesis, characterization and mechanism of action

The synthesis of Ru(II) organometallic ‘piano stool’ compounds has recently evolved into an important research field , due to the cytotoxic properties they exhibit. These compounds bind to DNA both through aromatic interactions with the ligands and via coordination, by directly bonding with the nucleic bases, following the hydrolysis of the Ru-Cl bond. In this work, compounds of the general formula [(η6-arene)Ru(N-N’)Cl]PF6 have been synthesized, where arene = benzene or cymene and (N-N’) aromatic diimines with a systematically increasing aromatic plateau. The synthesis of the ‘piano stool’ compounds was achieved through the reaction of the dimeric complex [Ru(η6-arene)(μ-Cl)Cl]2 with the chelating ligand N-N’. The complexes where isolated and characterized by NMR techniques (1H NMR, and 13C NMR), mass spectrometry and X-ray diffraction. All the prepared compounds adopt the ‘piano stool’ geometry with a bidentate chelate ligand N-N’, an arene and a chloride occupying the remaining positions of the metal center. The complexes [Ru(η6-bz)(pqx)Cl]Cl, [Ru(η6-bz)(pbqx)Cl]Cl, [Ru(η6-cym)(pqx)Cl]Cl and [Ru(η6-cym)(pbqx)Cl]Cl were tested against various cancer cell lines, exhibiting remarkable cytotoxicity, with observed IC50 values of less than 1 μM. The compounds [Ru(η6-cym)(pqx)Cl]Cl and [Ru(η6-cym)(pbqx)Cl]Cl were found to be stable in aqueous media without being hydrolyzed, preserving their saturated coordination sphere (η6-arene, N-N’, Cl). However, it was discovered that they both interact with the hexamer, with the outer side of the chelating ligand N-N’, causing elongation or disruption of the oligonucleotide Watson-Crick (W-C) hydrogen bonds. Since the arene does not take part in the interaction, as it lies on the opposite side, it can be concluded that their cytotoxic activity could be owed to this type of interaction. The study of the hydrolysis of the complexes [Ru(η6-cym)(N-N’)Cl]Cl, where N-N’: pqn, pqx and pbqx, was performed by 1H NMR spectroscopy and HR-ESI mass spectroscopy at 298 K, after removal of the counter chloride. The rate constants (k) and the half-lives (t1/2) of the hydrolysis reactions were calculated from the integration of selected signals and the construction of the diagram [((Ru-H2O)] = f(t)}. The t1/2 of the complex with pqx was found to be less than that of the complex with pbqx, indicating that the additional aromatic ring of pbqx plays an important role in the rate of the hydrolysis reaction. The complexes [(η6-arene)Ru(N-N’)(9MeG-N7)](PF6)2, where arene: bz or p-cym and N-N’: pqn, pqx, pbqx, bpm or bpy, were synthesized by the subtraction of the coordinated chloride with AgNO3 from the precursor complexes [(η6-arene)Ru(N-N’)Cl]PF6, followed by the reaction of the resulting solution with excess of 9-MeG. The complexes where isolated and characterized by 1H NMR spectroscopy and HR-ESI mass spectroscopy. NMR spectroscopic techniques lead to the conclusion that the strong shielding effect on 9-MeGH8 is due to the orientation of the purine ring in such a way that the imidazole H8 faces the aromatic ring of the diimine ligands. The heterometallic complexes [(η6-arene)ClRu(μ-bpm)MCl2)]PF6, where M: Pt ή Pd, were synthesized by the reaction of cis-Pt(dmso)2Cl2 or cis-Pd(CH3CN)2Cl2 with the [(η6-arene)Ru (bpm)Cl]Cl. The complexes were characterized by NMR measurements (1Η NMR & 195Pt NMR) and Electrospray Ionisation Mass Spectrometry (ESI-MS). The heterometallic complex [(η6-cym)ClRu(μ-bpm)PtCl2)]PF6 got cleaved in DMSO, which resulted in four distinct products. The same was observed when reacting with 9MeG. In particular, following the coordination of 9MeG to the platinum site, the bimetallic complex was cleaved, and mainly the compound [Pt(bpm)(9MeG-N7)Cl]+ was generated. All the synthesized heterometallic complexes are under investigation with regard to their anticancer properties.Οι οργανομεταλλικές ενώσεις του Ru(II), τύπου ‘piano stool’, με αρένια αποτελούν ένα σημαντικό πεδίο έρευνας τα τελευταία χρόνια, εξ’ αιτίας των κυτταροτοξικών ιδιοτήτων που εμφανίζουν. Οι ενώσεις αυτές δεσμεύονται στο DNA χρησιμοποιώντας τόσο την αρωματική φύση των υποκαταστατών όσο και την ένταξη με απευθείας δεσμό με τις νουκλεϊνικές βάσεις, έπειτα από την υδρόλυση του δεσμού Ru-Cl. Στην παρούσα εργασία συνθέσαμε ενώσεις γενικού τύπου [(η6-arene)Ru(N-N’)Cl]PF6, χρησιμοποιώντας για αρένια, βενζόλιο ή κουμένιο και για υποκαταστάτες (N-N’) τις αρωματικές διιμίνες με συστηματικά αυξανόμενο αρωματικό πλατώ. Η σύνθεση των ενώσεων του γενικού τύπου [(η6-arene)Ru(N-N’)Cl]PF6 έγινε μέσω της αντίδρασης διάσπασης του διμερούς συμπλόκου [(η6-arene)Ru(μ-Cl)Cl]2 και προσθήκης του χηλικού υποκαταστάτη N-N’. Τα σύμπλοκα που απομονώθηκαν χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία NMR (1Η NMR 13C NMR), φασματομετρία μάζας με ιονισμό Electrospray (ESI-MS) και με επίλυση της κρυσταλλικής δομής με περίθλαση ακτίνων-Χ. Οι νέες ενώσεις που συντέθηκαν και χαρακτηρίστηκαν, υιοθετούν όλες την γεωμετρία ‘piano stool’ με χηλική ένταξη του υποκαταστάτη N-N’, το αρένιο και το χλώριο να καταλαμβάνουν τις εναπομένουσες θέσεις του μεταλλικού κέντρου. Τα σύμπλοκα [Ru(η6-bz)(pqx)Cl]Cl, [Ru(η6-bz)(pbqx)Cl]Cl, [Ru(η6-cym)(pqx)Cl]Cl και [Ru(η6-cym)(pbqx)Cl]Cl δοκιμάστηκαν έναντι διαφόρων καρκινικών κυτταρικών σειρών, παρουσιάζοντας αξιοσημείωτη κυτταροτοξικότητα, με τιμές IC50 μικρότερες από 1μM.Οι ενώσεις [Ru(η6-cym)(pqx)Cl]Cl και [Ru(η6-cym)(pbqx)Cl]Cl, παρόλο που βρέθηκαν να είναι σταθερές σε υδατικό διάλυμα διατηρώντας την ίδια σφαίρα ένταξης (η6-cym, N-N’ και Cl), αλληλεπιδρούν με το ολιγονουκλεοτίδιο d(5′-CGCGCG-3′)2 μέσω της εκάστοτε αρωματικής διιμίνης. Η αλληλεπίδραση πραγματοποιείται στη μικρή αύλακα του DNA, προκαλώντας επιμήκυνση ή διάσπαση των δεσμών υδρογόνου Watson-Crick (W-C). Δεδομένου ότι το αρένιο δεν συμμετέχει στην αλληλεπίδραση, καθώς βρίσκεται από την αντίθετη πλευρά, μπορούμε να εξάγουμε το συμπέρασμα ότι η κυτταροτοξικότητα αυτών οφείλεται σε αυτή του είδους την αλληλεπίδραση. Η μελέτη της υδρόλυσης των συμπλόκων [Ru(η6-cym)(N-N’)Cl]Cl, όπου N-N’: pqn, pqx και pbqx, πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπία 1H NMR και φασματοσκοπία HR-ESI-MS στους 298 Κ, έπειτα από απομάκρυνση του αντισταθμιστικού χλωρίου. Από την ολοκλήρωση επιλεγμένων κορυφών και κατασκευή του διαγράμματος {[(Ru-H2O)] = f(t)} υπολογίσθηκαν οι σταθερές ταχύτητας (k) και οι χρόνοι ημιζωής (t1/2) των αντιδράσεων υδρόλυσης. Ο t1/2 του σύμπλοκου με το pqx βρέθηκε μικρότερος από αυτόν του συμπλόκου με το pbqx, υποδεικνύοντας ότι ο επιπλέον αρωματικός δακτύλιος του pbqx διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ταχύτητα υδρόλυσης των συμπλόκων. Η σύνθεση των συμπλόκων του γενικού τύπου [(η6-arene)Ru(N-N’)(9MeG-N7)](PF6)2, όπου arene: bz ή p-cym και N-N’: pqn, pqx, pbqx, bpm και bpy, έγινε έπειτα από απομάκρυνση του ενταγμένου Cl από τα πρόδρομα σύμπλοκα [(η6-arene)Ru(N-N’)Cl]PF6 και μετέπειτα προσθήκη της 9-μεθυλογουανίνης (9MeG). Τα σύμπλοκα που απομονώθηκαν χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητισμού πρωτονίου και με φασματομετρία μάζας με ιονισμό Electrospray (ESI-MS). Οι φασματοσκοπικές τεχνικές NMR οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η ισχυρή προστασία του 9-MeGH8 οφείλεται στον προσανατολισμό του δακτυλίου της πουρίνης, όπου είναι με τέτοιο τρόπο ώστε το Η8 του ιμιδαζολίου να βρίσκεται πάνω από τον αρωματικό δακτύλιο της διιμίνης. Τα ετεροπυρηνικά σύμπλοκα [(η6-arene)ClRu(μ-bpm)MCl2)]PF6, όπου M: Pt ή Pd, συντέθηκαν έπειτα από αντίδραση του cis-Pt(dmso)2Cl2 ή του cis-Pd(CH3CN)2Cl2 με το σύμπλοκο [(η6-arene)Ru(bpm)Cl]Cl. Ο χαρακτηρισμός των ετεροπυρηνικών συμπλόκων έγινε με φασματοσκο-πία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου και λευκοχρύσου (1Η NMR και 195Pt NMR) και με φασματομετρία μάζας με ιονισμό Electrospray (ESI-MS).Το ετεροπυρηνικό σύμπλοκο [(η6-cym)ClRu(μ-bpm)PtCl2)]PF6 διασπάται σε dmso με αποτέλεσμα να λαμβάνονται τέσσερα προϊόντα. Το ίδιο παρατηρήθηκε και κατά την αντίδραση του με 9MeG. Συγκεκριμένα το διμεταλλικό σύμπλοκο διασπάται έπειτα από την ένταξη της 9-MeG στο μεταλλικό κέντρο του λευκοχρύσου και δημιουργία κυρίως της ένωσης [Pt(bpm)(9MeG-N7)Cl]+. Τα ετεροπυρηνικά σύμπλοκα που συντέθηκαν βρίσκονται στο στάδιο των μελετών ως προς τις αντικαρκινικές τους ιδιότητες