CC BY
0Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2004, т. XL VIH, М> 4
УДК 541.49:615.771.7
Первые данные о взаимосвязи структуры и реакционной способности комплексов типа [RuCl4(azole)2]_, проявляющих противоопухолевую активность
Э. Райснер, В. Б. Арион, Б. К. Кеплер, А. Ж. JI. Помбейро, В. Ю. Кукушкин
ЭР ВИН РАЙСНЕР (ERWIN RE ISN ER) — аспирант Института неорганической химии университета Вены (Австрия). Область научных интересов: химия и электрохимия комплексов рутения с азольными лигандами, обладающими противоопухолевыми свойствами.
ВЛАДИМИР БОРИСОВИЧ АРИОН — доктор химических наук, профессор Института неорганической химии университета Вены (Австрия). Область научных интересов: координационная и бионеорганическая химия, темплатньш синтез, полиядерные металлокомплексы, комплексы металлов с биолигандами.
БЕРНХАРД КЛАУС КЕПЛЕР (BERNHARD К. KEPPLER) - доктор химических наук, доктор медицинских наук, профессор, директор Института неорганической химии университета Вены (Австрия). Область научных интересов: бионеорганическая химия, комплексные соединения ионов металлов с биолигандами, противоопухолевые препараты. E-mail keppler@ap.univie.ac.at
АРМАНДО ПОМБЕЙРО (ARMANDO J. L. POMBEIRO) — доктор химических наук, профессор Технического университета (Лиссабон, Португалия). Область научных интересов: металлопромотируемьш синтез, координационная и бионеорганическая химия, активация малых молекул, катализ, электрохимия координационных соединений.
ВАДИМ ЮРЬЕВИЧ КУКУШКИН — доктор химических наук, профессор химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ). Область научных интересов: металлопромотируемьш синтез, координационная и бионеорганическая химия, реакционная способность лигандов. E-mail kukushkin @ VK2100.spb. edu
Institute of Inorganic Chemistry of the University of Vienna, Währinger sir. 42, A-1090 Vienna, Austria, tel. +43-1-427752608, fax +43-1-427752680.
198504 Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Химический факультет СПбГУ.
Введение
Хорошо известно, что ряд комплексов на основе платины обладает существенной противоопухолевой активностью, и некоторые представители этих металлсодержащих препаратов активно используются в клинической практике [1—3]. Многообещающей альтернативой лекарствам на основе комплексов платины являются соединения рутения [4, 5]. Последние, как представляется, в этом отношении весьма перспективны благодаря их более низкой токсичности и специфичности по отношению к некоторым раковым заболеваниям, в лечении которых платиновые комплексы не проявляют достаточной биологической активности. В настоящее время два соединения рутения(Ш) — (Н2im)[транс-RuCl4(Нim) (dingo)] [6] (NAMI-A, Him = имидазол, dmso = S-координиро-ванный диметилсульфоксид) и (\\{тй){транс-RuCl4(Hind)2] [7-9] (КР1019, Hind = индазол) проходят клинические испытания.
Комплекс (H2ind) [транс- RuCl4(Hind)2], который был синтезирован Кеплером и сотр. [10], проявляет очень высокую активность в случае аутохтонных колорек-тальных раковых заболеваний крыс — болезней, схожих с раком толстой кишки у человека [7]. Несмотря на скудную информацию о механизме действия руте-нийсодержащих лекарств, в ряде работ [5] предполагается, что комплексы Ru(III) действуют в качестве про-
лекарств, превращаясь /я vivo в соответствующую активную форму. На сегодняшний день наиболее обсуждаемая гипотеза заключается в активации пролекарст-ва в результате его восстановления. Суть ее в том, что в пролекарстве металлоцентр Ru(III) селективно восстанавливается в обедненных кислородом раковых клетках. Редокс-процесс протекает потому, что восстановительный потенциал в таких тканях обычно ниже, чем в обычных клетках [5]. Восстановление кинетически инертных производных Ru(III) (электронная конфигурация d5, низкий спин) приводит к образованию более лабильных частиц Ru(II) (электронная конфигурация db, низкий спин). Последние способны легче координироваться с биомолекулами, по сравнению с Ru(III)coдepжaщими пролекарствами. Считается, что рутений(П) далее координируется с молекулой ДНК в клетке за счет N(7) атома пуриново-го основания — гуанина или аденина — и, таким образом, предотвращается репликация. Кристаллографические данные полученные в результате исследования взаимодействия 9-метиладенина с [RuCl4(Hind)2]~ [11] служат основанием для такого предположения. Важно отметить, что цисплатин, координируясь к аденину или гуанину, атакует тот же самый атом азота N(7) [12].
Естественная цель работ по изучению биологической активности комплексов рутения — повышение их противоопухолевой эффективности. Проводимые в
Э. Райснер, В. Б. Арион, Б. К. Кеплер, А. Ж. Л. Помбейро, В. Ю. Кукушкин
настоящее время исследования фокусируются на изучении количественных аспектов взаимосвязи структуры препарата с его реакционной способностью. Сопоставление данных, полученных в результате проведения биологических испытаний на раковых клетках, и различных физико-химических параметров комплексов рутения уже дало ценную информацию, которая может быть использована для создания новых противоопухолевых препаратов на основе рутения. Некоторые из этих результатов, полученные нами в самое последнее время [11, 13—15], обсуждаются в данной статье.
Взаимосвязь между противоопухолевой активностью
комплексов рутения и геометрической изомерией
Известно, что геометрия комплекса может оказывать существенное влияние на антиканцерогенную активность препарата. В то время как цисплатин (цис-[Р1С12(ЫН3)2]) проявляет значительные противоопухолевые свойства, его транс-мзомер (транс-[ГЧС12(МН3)2]) в этом отношении инертен [12]. В этой связи сопоставление биологической активности цис- и транс-изомеров комплексов типа [ИиС14Ь2]~ также представляет значительный интерес. Выделение обоих изомеров было осуществлено для комплексов [ ЯиС14( ГНт/)2] (ГНт/ = 1,2,4-триазол, координированный атомом N(2)). Цис-транс-мзомермзтщи в водном растворе обнаружено не было, поэтому оба изомера оказались пригодны для биологических исследований с целью оценки их антипролиферативной активности.
Так, (\\£п){транс- КиС14(Н1гг)2] и (\\£п){цис-ЯиС14( ГНт/)2] • Н20 были протестированы на трех типах раковых клеток [НТ29, 8\¥480 (карцинома толстой кишки), 8К-ВК-3 (карцинома молочной железы)] [13]. Обнаружено, что транс- по сравнению с цис-изомером проявляет более высокую антипролиферативную активность во всех трех вышеупомянутых типах раковых клеток, причем эта активность выше в случае карциномы толстой кишки, чем в случае карциномы молочной железы. Например, для клеток 8\¥480 карциномы толстой кишки: 1С(транс) = 113 ± 8 мкМ, 1С5() (цис) = 164 ± 5 мкМ (чем выше значение 1С5(), тем ниже соответствующий антипролиферативный эффект соединения на раковую клетку). Также была установлена временная зависимость влияния геометрических изомеров на все три типа раковых клеток. После 24 ч воздействия лекарств на раковые клетки при концентрации до 2 мкМ антипролиферативного эффекта обнаружено не было. Эффект проявляется только после 96 ч. Объяснение этому факту — по-видимому медленная активация и медленное достижение необходимой концентрации веществ в раковой клетке.
Взаимосвязь окислительно-восстановительного
потенциала комплексов с константами скорости сольволиза при восстановлении пролекарства
Окислительно-восстановительный потенциал Ещ пары Ли111/!^11 в Ыа[т/?аяс^иС14(Шпс1)2] равен 0,03 В [14] (по отношению к стандартному водородному электроду в фосфатном буфере при рН 7). Этот потенциал физиологически доступен, поскольку, в частности, глутатион (наиболее распространенный внутриклеточный тиол [16]) с Е° ' = Н),25 В способен
восстанавливать рутений(Ш) до рутения(П) [17]. Аргументом в пользу гипотезы об активации пролекарства в результате восстановления может являться ускорение связывания (H2ind)[транс-RuCl4(Hind)2] с ГМФ (гуанозин-5'-монофосфатом) и АМФ (аденозин-5'-монофосфатом) в присутствии таких восстанавливающих агентов, как глутатион или аскорбиновая кислота. Последние, как известно [18], способны восстанавливать рутений(Ш) в комплексе (Н2тё)[т/иш> RuCl4(Hind)2] до рутения(П).
Информация об окислительно-восстановительных потенциалах рутениевых комплексов, свидетельствующая о возможности их восстановления /я vivo в раковых клетках, играет важную роль в направленном дизайне и синтезе новых эффективных рутениевых пролекарств. Ранее Ливер предложил общий подход для идентификации и предсказания окислительно-восстановительных потенциалов комплексов рутения, который подразумевает аддитивный вклад каждого конкретного лиганда в окислительно-восстановительный потенциал Ruln/Ruü в комплексе. Этот вклад выражается через так называемый лигандный параметр El [19], который отражает, в частности, электро-нодонорные свойства лиганда. Увеличение значений таких параметров соответствует увеличению значений окислительно-восстановительного потенциала соответствующего комплекса. Таблицы с величинами EL параметров доступны в литературе [19] или в интернете на сайте проф. А.Б.П. Ливера [20].
Используя эмпирическое уравнение (1)
E=Sm-ZEl+Im (1)
можно оценить окислительно-восстановительный потенциал металлоцентра в комплексе как в водных растворах, так и в органической среде. Постоянные
и 1М зависят от природы металла, его спинового состояния и геометрии. Более того, значения SM и /м [19] зависят от растворителя, а в водном растворе еще и от заряда комплекса [14] и значения рН раствора [21]. В органических растворителях SM и /м равны 0,97 и 0,04 [19], соответственно, а в водном растворе при рН 7 для соединений с зарядом комплексного иона —1 эти величины равны 0,88 и 0,46, соответственно [14]. Параметры EL в сочетании со значениями и /м позволяют предсказать окислительно-восстановительные потенциалы Ruln/Ruü в комплексах. А это в свою очередь позволит создавать пролекарства с оптимальными для физиологических условий окислительно-восстановительными свойствами.
Поскольку восстановление рутения(Ш) до руте-ния(П) приводит к образованию частиц, ответственных за противоопухолевую активность, исследование кинетики сольволиза при восстановлении комплексов рутения дает дополнительную важную информацию о реакционной способности образующихся в результате восстановления промежуточных соединений. Возрастание электронодонорного характера (уменьшение значения EL) нейтральных лигандов (в ряду: диметил-сульфоксид < индазол < триазол < имидазол) и основности азольных лигандов (возрастание рКп атома азота пиридинового типа), как установлено [14], способствует как увеличению лабильности комплекса в отношении замещения хлоридных лигандов, так и смещению потенциала пары Ru(III)/Ru(II) в катодную об-
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2004, т. XL VIII, М> 4
ласть. Следовательно, термодинамический стабилизирующий эффект лигандов на Ru(III) относительно Ru(II) сопровождается повышением кинетической лабильности соответствующих восстановленных форм рутения(П). Этот факт необходимо учитывать в дальнейших разработках таких лекарств, обращая особое внимание на устойчивость промежуточных соединений, возникающих при восстановлении, и окислительно-восстановительные потенциалы пролекарств [14].
Связь между противоопухолевой активностью комплексов и их электрохимическими параметрами
Если предположить, что гипотеза об активации пролекарств в результате их восстановления правильна, то увеличение значений их окислительно-восстановительных потенциалов должно приводить к увеличению антипролиферативной активности. Последняя выражается в снижении значений IC50 и соответствует легкости восстановления пролекарства и образования активных частиц. Исследования по изучению корреляций между окислительно-восстановительным потенциалом и антипролиферативной активностью комплекса (H2ind)[транс-RuCl4(Hind)2] в очередной раз подтвердили разумность гипотезы об активации пролекарств в результате восстановления. Так, было показано, что увеличение значений окислительно-восстановительных потенциалов соответствует повышению антипролиферативной активности в случае раковых клеток типа SW-480 (карциномы толстой кишки) для ряда соединений [13—15]:
(imidazolium)[m/?OTC-RulnCl4(imidazole)2] < < (H2tTz)[mpaHC-RumCl4(Htrz)2] < < (H 2ind) [ Ru111 Cl4( indazole) 2] (KP1019) < < [RiimCl3(Hind)3]. Направление изменения значений окислительно-восстановительных потенциалов и значений IC50 строго соответствуют этому ряду.
Перспективы дальнейших исследований
Рациональный подход к разработке рутениевых комплексов, проявляющих противоопухолевую активность, должен учитывать их структурные параметры, окислительно-восстановительные потенциалы, липо-фильность, скорость гидролиза и легкость диссоциации лигандов при восстановлении, а также биологические аспекты (например, результаты тестирования антипролиферативной активности in vitro). Наши работы [11, 13—15] — это первый подход к пониманию взаимосвязи между структурой и активностью в ряду комплексов типа [RuCl4(azole)2]~. В дальнейшем, накопленный опыт и информация о физических, химических и биологических свойствах таких комплексов с различными азольными лигандами должны дать более полное представление о количественных корреляциях «структура—активность». Электрохимическое исследование таких лекарств, особенно мониторинг окислительно-восстановительных потенциалов, которые меняются в результате направленной модификации со-
става и структуры комплексов, является рациональной стратегией для создания новых производных руте-ния(Ш) в качестве селективных биовосстанавливаю-щих пролекарств. При этом немаловажны также такие свойства пролекарства как отношение к гидролизу, липофильность и стерические параметры необходимые для максимального взаимодействия с биологическими молекулами.
Данные исследования стали возможными благодаря финансовой поддержке со стороны FWF (Австрийский научный фонд), Университета Вены (Австрия), Научно-технического фонда Fimdagao para a Ciencia е a Tecnologia (программа POCTI) (Португалия) и Российского фонда фундаментальных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Rosenberg В., Van Camp L., Krigas Т. Nature, 1965, v. 205, p. 698.
2. Cisplatin: Chemistry and Biochemistry of a Leading Anticancer Drug. Ed. B. Lippert, Helvetica Chimica Acta / Wiley VCH, Zbrich / Switzerland, Weinheim / Germany, 1999.
3. Wong E., Giandomenico Ch.M. Chem.Rev., 1999, v. 99, p. 2451.
4. Clarke M.J., Zhu P., Frasca D.R. Ibid., 1999, v. 99, p. 2511.
5. Clarke M.J. Coord. Chem. Rev., 2003, v. 236, p. 209.
6. Sava G., Alessio E., Bergamo A., Mestroni G. In: Topics in Biological Inorganic Chemistry. Eds. M.J. Clarke, P.J. Sadler, Springer, Berlin, 1999, p. 143.
7. Keppler B.K., Lipponer K.G., Stenzel В., Kratz P. In: Metal Complexes in Cancer Chemotherapy Ed. B.K. Keppler, VCH Weinheim, 1993.
8. Pieper Т., Borsky K., Keppler B.K. In: Topics in Biological Inorganic Chemistry. Eds. M.J. Clarke, P.J. Sadler, Springer, Berlin, 1999, p. 171.
9. Galanski M., Arion V.B., Jakupec M.A., Keppler B.K. Curr. Pharm. Des., 2003, v. 9, p, 2078.
10. Lipponer KG., Vogel E., Keppler B.K. Metal-Based Drugs, 1996, v. 3, p. 243.
11. Egger A., Arion V.B., Reisner E., Cebrian-Losantos В., Shova S., Trettenhahn G., Keppler B.K., в печати.
12. Jamieson E.R., Lippard S.J. Chem.Rev., 1999, v. 99, p. 2467.
13. Arion V.B., Reisner E., Premuth M. e. a. Inorg. Chem., 2003, v. 42, p. 6024.
14. Reisner E., Arion V.B., Guedes da Silva M.F.C. e. a. Ibid., 2004, v. 43, p. 7083.
15. Jakupec M.A., Reisner E., Eichinger A., Pongratz M., Arion V.B., Galanski M., Hartinger Ch., Keppler B.K. Рукопись готовится.
16. Corazza A., Harvey I., Sadler P.J. Eur. J. Biochem., 1996, v. 236, p. 697-705.
17. Millis K.K., Weaver КН., Rabenstein D.L. J. Org. Chem., 1993, v. 58, p. 4144.
18. Schluga P., Egger A., Galanski M., Hartinger Ch.G., Keppler B.K. Рукопись готовится.
19. Lever A.B.P. Inorg. Chem., 1990, v. 29, p. 1271.
20. http://www.chem.yorku.ca/profs/lever (домашняя страница A.B.P. Lever).
21. M Dhubhghaill O.M., Hagen W.R., Keppler B.K, Lipponer KG., Sadler P.J. J. Chem. Soc., Dalton Trans., 1994, p. 3305.
