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Title in Portuguese: Metalofármacos como doadores de óxido nítrico (NO•) e/ou nitroxil (HNO): desenvolvimento de novos agentes e investigação das atividades anticâncer, anti-hipertensivas e antituberculose
Title: Metallo-drugs as nitric oxide (NO•) and/or nitroxyl (HNO) donors: development of new agents and investigation of anticancer, antihypertensive and antituberculosis activities
Author: Carvalho, Edinilton Muniz
Advisor(s): Lopes, Luiz Gonzaga de França
Bernardes-Génisson, Vania
Co-advisor(s): Sousa, Eduardo Henrique Silva de
Chauvin, Remi
Keywords: Antiangiogênese
Cyclam
Ácidos hidroxâmicos
Complexos de ferro
Issue Date: 2020
Citation: CARVALHO, Edinilton Muniz. Metallo-drugs as nitric oxide (NO•) and/or nitroxyl (HNO) donors: development of new agents and investigation of anticancer, antihypertensive and antituberculosis activities. 2020. 229 f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Abstract in Portuguese: Câncer, doenças cardiovasculares e tuberculose (TB) são os principais desafios terapêuticos, para os quais várias estratégias medicamentosas têm sido desenvolvidas, incluindo o uso de agentes inorgânicos como metalofármacos e NO• (óxido nítrico) / HNO (nitroxila). Dentro desta perspectiva, esta tese aborda o desenho, síntese, estudos físico-químicos e avaliação biológica de fármacos a base de metal capazes de liberar NO• e/ou HNO. Dois tipos de plataformas orgânicas são, portanto, considerados como ligantes em complexos de FeII/III concebidos como fontes potenciais de NO•/HNO: o ligante cyclam (1,4,8,11-tetraazaciclotetradecano) e três ligantes de ácido hidroxâmico (ArC(O)NHOH). O primeiro capítulo trata da reatividade química do complexo trans-[Fe (cyclam)(NO)Cl]Cl2, que se decompõe ao liberar NO• sob condições fisiológicas de pH e temperatura, sendo o processo significativamente acelerado após a irradiação de luz em 365 nm. Em contraste, experimentos in vitro na presença de glutationa revelaram que o mesmo complexo produz HNO. Estudos de angiogênese mostraram que o complexo é capaz de inibir significativamente o fator induzível por hipóxia (HIF-1α) induzido por hipóxia ou na presença de um doador de NO• (Spermine NONOate) em células de câncer de mama: este resultado é consistente com uma liberação de HNO via nitrosil complexo de ferro. Por outro lado, os ensaios de vasodilatação, usando anéis aórticos de rato pré-contraídos, revelaram que o complexo exibe um relaxamento com IC50 de 910 nM, contra um IC50 de 24 nM para o medicamento de referência, nitroprussiato de sódio. Os próximos capítulos tratam da liberação de HNO por ácidos hidroxâmicos aromáticos promovida por oxidação. O Capítulo 2 enfoca o mecanismo de oxidação dos ácidos hidroxâmicos isonicotinóico, nicotinóico e pirazinóico, mediado por ferricianeto de potássio (K3[FeIII(CN)6]) em condições de pH fisiológico. Foi mostrado que a ativação oxidativa dos ácidos hidroxâmicos estudados, mediada por complexo de FeIII, envolve a produção do intermediário N,O-di(di)azinoilhidroxilamina com liberação concomitante de HNO, ao invés da espécie acil nitroso. Os ácidos hidroxâmicos livres também foram avaliados frente a diferentes atividades biológicas e usados como controles comparativos dos complexos de ferro descritos no capítulo 3. Esses complexos de pentacianoferrato(II), Na3FeII(CN)5 (ArCONHOH), inicialmente concebidos como potenciais híbridos de isoniazida (INH, pró-droga anti-TB de primeira linha, para o qual o radical isonicotinoil é o metabólito ativo) e delamanid (anti-TB de terceira linha, para a qual HNO é o metabólito ativo), foram sintetizados e caracterizados por técnicas espectroscópicas, voltametria cíclica, e cálculos DFT. Usando espectroscopia EPR e RMN de 1H, a oxidação desses complexos de FeII através de H2O2 resultou na liberação de HNO e formação dos ácidos carboxílicos correspondentes, através de uma provável transferência de elétrons intramolecular. Em contraste do que foi observado com o complexo INH (Na3[FeII(CN)5(INH)]), nenhum “azinoyl radical” foi evidenciado como produto de oxidação dos complexos de ácido hidroxâmico. Em vez disso, os ácidos carboxílicos correspondentes foram formados, em particular, a formação do ácido pirazinóico, que é o metabólito ativo da pirazinamida, outro pró-fármaco antitubercular, se mostra relevante para o tratamento da tuberculose resistente à pirazinamida, uma vez que a ativação poderia ocorrer sem assistência da enzima pirazinamidase do Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Os ácidos hidroxâmicos livres e os complexos correspondentes não mostraram qualquer ação antibiótica contra cepa de Mtb em crescimento ativo/não resistente. No entanto, os complexos mostraram uma forte atividade vasodilatadora dose-dependente e reversível, próxima à do nitroprussiato (64-250 nM vs 13 nM). Os ácidos hidroxâmicos livres se mostraram 19 a 76 vezes menos ativos do que os complexos correspondentes. Com base em experimentos in vivo, o Na4[FeII(CN)5(PyCONHO-)] também mostrou um perfil de atividade cardiovascular promissora, indicando tal complexo como um interessante agente antihipertensivo.
Abstract: Cancer, cardiovascular diseases and tuberculosis (TB) are major therapeutic challenges, for which various drug strategies have been developed, including the use of inorganic agents such as metallo-drugs and NO (nitric oxide)/HNO (nitroxyl). Within this prospect, the thesis objective addresses the design, synthesis, physical-chemical studies and biological evaluation of metal-based drugs capable of releasing NO and/or HNO with pharmacological effects. Two types of organic platforms are thus envisaged as ligands in FeII/III complexes devised as potential sources of NO/HNO: the spectator cyclam ligand (1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane) and three reactive azine hydroxamic acid ligands (ArC(O)NHOH). The first chapter deals with the chemical reactivity of a trans-[Fe(cyclam)(NO)Cl]Cl2 complex, which is shown to decompose by releasing NO• under physiological pH and temperature conditions, the process being significantly accelerated upon light irradiation at 365 nm. In contrast, in vitro experiments in the presence of glutathione revealed that the same complex produces HNO. Angiogenesis studies showed that the complex is able to significantly inhibit the hypoxia-inducible factor (HIF-1α) induced by hypoxia or addition of a NO• donor (Spermine NONOate) in breast cancer cells: this result is consistent with a release of HNO by the nitrosyl complex. On the other hand, vasodilation assays using precontracted rat aortic rings revealed that the complex exhibits a relaxation IC50 of 910 nM, vs 24 nM for the reference drug, nitroprusside. The next chapters deal with the oxidation-promoted release of HNO from aromatic hydroxamic acids. Chapter 2 focuses on the oxidation mechanism of isonicotinoic, nicotinoic and pyrazinoic hydroxamic acids, mediated by potassium ferricyanide (K3[FeIII(CN)6]) in physiological pH conditions. It is shown that oxidative activation of aryl hydroxamic acids, mediated by FeIII, involves the production of the N,O-di(di)azinoylhydroxylamine intermediate with concomitant release of HNO, instead of the putative acyl nitroso species. The free hydroxamic acids were also evaluated for different biological activities and used as controls to be compared with iron complexes described in chapter 3. These pentacyanoferrate(II) complexes, Na3FeII(CN)5(ArCONHOH), initially devised as potential hybrid of isoniazid (INH, first-line anti-TB prodrug, for which the isonicotinoyl radical is the active metabolite) and delamanid (third-line anti-TB, for which HNO is the active metabolite), were synthesized and characterized by spectroscopic techniques, cyclic voltammetry, and DFT calculations. Using EPR and 1H NMR spectroscopy, oxidation of these FeII complexes with H2O2 was shown to result in the release of HNO and corresponding azinoic acids, through a likely intramolecular electron transfer. In contrast to what was observed from the INH complex (Na3[FeII(CN)5(INH)]), no azinoyl radical species was evidenced to be produced from the corresponding hydroxamic acid complexes. Instead, the corresponding carboxylic acids were found to be formed, in particular pyrazinoic acid which is the active metabolite of pyrazinamide, another antitubercular pro-drug: this result would be relevant for the treatment of pyrazinamide-resistant tuberculosis, as the activation could thus occur without assistance of the pyrazinamidase enzyme of Mycobacterium tuberculosis (Mtb). The free hydroxamic acids and corresponding complexes did not show any antibiotic action against an actively growing/non-resistant Mtb strain. However, the complexes showed a strong dose-dependent and reversible vasodilation activity, close to that of nitroprusside (64-250 nM vs 13 nM). The free hydroxamic acids were found ca. 19- to 76-fold less active than the corresponding complexes. On the basis of in vivo experiments, Na4[FeII(CN)5(PyCONHO-)] also showed a promising cardiovascular activity profile for the development of a new antihypertensive agent.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/56417
metadata.dc.type: Tese
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