Determination of physicochemical properties of anthracycline antibiotics using a potentiometric titration method and capillary electrophoresis

Doksorubicyna (DOX) i daunorubicyna (DAU) należą do grupy antybiotyków antarcyklinowych, leków o właściwościach cytostatycznych, które są szeroko stosowane w terapii przeciwnowotworowej. Ich aktywność biologiczna, wychwyt przez komórki nowotworowe, transport w organizmie i selektywność w stosunku do komórek nowotworowych są zależne od właściwości fizykochemicznych, w tym także od wykładnika stałej dysocjacji (pKa). Istnieje szereg metod stosowanych do wyznaczania pKa, między innymi metoda potencjometryczna, konduktometryczna lub spektrofotometryczna. Niestety większość z tych metod ma poważne ograniczenia, które powodują, że nie zawsze są one odpowiednie do wyznaczania pKa. Za pomocą elektoforezy kapilarnej możemy badać związki w zanieczyszczonej matrycy, słabo rozpuszczalne w wodzie oraz próbki o nieznanym stężeniu substancji czynnej. W takich wypadkach metody potencjometryczne nie mają zastosowania.Przeprowadzone badania polegały na doświadczalnym wyznaczeniu wartości pKa dla 10 antybiotyków antracyklinowych: DOX, DAU i ich enencjomerów EDOX i EDAU oraz pochodnych z dołączonym pierścieniem piperydynowym (FPIP) i morfolinowym (FMOR) za pomocą elektroforezy kapilarnej (CE) oraz metodą miareczkowania potencjometrycznego. Stosując CE dla każdego związku wyznaczono dwie wartości pKa, zgodnie z przyjętym założeniem o dwóch stanach jonizacji związku. Związki amfoteryczne w niższym pH są naładowane dodatnio i migrują szybciej niż markery obojętne, w pH=pI związek wykazuje charakter obojętny, natomiast w wysokim pH cząsteczki będą naładowane ujemnie i w związku z tym będą przemieszczały się wolniej niż marker obojętny. Stosując metodę potencjometryczną otrzymano tylko jedną wartość pKa, będącą w przybliżeniu średnią z wartości uzyskanych za pomocą CE. Wykładniki stałych dysocjacji badanych pochodnych różniły się od wykładników stałych dysocjacji leków modelowych. Otrzymane wyniki badań będą pomocne w lepszym zrozumieniu procesu dystrybucji antybiotyków antarcyklinowych do komórek nowotworowych oraz znalezieniu zależności między wartościami pKa tych leków oraz ich selektywnością w stosunku do komórek nowotworowych.Doxoribicin (DOX) and daunorubicin (DAU) belong to anthracyclines – a group of antitumor antibiotics, which are widely used in cancer therapy. Biological activity of these drugs, uptake by tumor tissue, transport rate and cancer cell selectivity are determined also by the physicochemical properties including pKa. There are some methods to determine pKa values, for example potentiometry, conductometry or spectrophotometry. However, sometimes they cannot be applied for pKa determination because they may be not enough accurate. Dissociation constants of DOX, DAU and number of their derivatives, such as enantiomers: EDOX and EDAU, and derivatives with piperidine (FPIP) or morpholine (FMOR) ring are determined using capillary zone electrophoresis (CZE) and potentiometric titrations. The advantages of CZE can be utilized in those fields where potentiometry has limitations (sample quantity, solubility, purity).In this study we experimentally determined pKa values of 10 anthracycline antibiotics. Using CZE two pKa values for each compounds were determined, according to the assumption of two ionization states of samples. Ampholytes can have a positive charge in low pH values and migrate quicker than a neutral marker, at pH=pI drug can be neutral, and negatively charged in high pH values, migrating slower than the neutral marker. The results of potentiometric measurments gave only one value of pKa, being approximately average of the two values determined using CZE. The pKa values of parent drugs differ from chose of their derivatives. The results of the present study may help to better understand intracellular distribution of anthracyclines within cancer cells and to find a relationship between drugs pKa values and their selectivity to cancer cells