Časť 1: Protirakovinová aktivita prírodných a syntetických chalkónov

Pre viac info. kontakttina.xiang@wecistanche.com

Abstraktné: Rakovinaje stav spôsobený mnohými mechanizmami (genetický, imunitný, oxidačný a zápalový).Protirakovinová terapiamá za cieľ zničiť alebo zastaviť rast rakovinových buniek. Odolnosť voči liečbe je hlavnou príčinou neefektívnosti súčasných štandardných terapií. Cielené terapie sú najúčinnejšie vďaka nízkemu počtu vedľajších účinkov a nízkej rezistencii. Spomedzi prírodných zlúčenín s malými molekulami sú flavonoidy mimoriadne zaujímavé na identifikáciu nových protirakovinových látok. Chalkóny sú prekurzormi všetkých flavonoidov a majú mnoho biologických aktivít. Protirakovinová aktivita chalkónov je spôsobená schopnosťou týchto zlúčenín pôsobiť na mnohé ciele. Prírodné chalkóny, ako sú licochalcony, xanthohumol (XN), pandurát (PA) a lonkokarpín, boli rozsiahle študované a modulované. Modifikácia základnej štruktúry chalkónov s cieľom získať zlúčeniny s vynikajúcimi cytotoxickými vlastnosťami sa uskutočnila moduláciou aromatických zvyškov, nahradením aromatických zvyškov heterocyklami a získaním hybridných molekúl. Získalo sa obrovské množstvo derivátov chalkónu so zvyškami, ako je diaryléter, sulfónamid a amín, ktorých prítomnosť je priaznivá pre protirakovinovú aktivitu. Modifikácia aminoskupiny v štruktúre aminochalkónov je vždy priaznivá preprotinádorovéčinnosť. To je dôvod, prečo boli získané hybridné molekuly chalkónov s rôznymi dusíkatými heterocyklami v molekule. Z nich sú azoly (imidazol, oxazoly, tetrazoly, tiazoly, 1,2,3-triazoly a 1,2,4-triazoly) obzvlášť dôležité pre identifikáciu nových protirakovinových látok.

Kľúčové slová: chalkón; azol;rakovina;bunková línia; bioaktivita; interakcia ligand-receptor

Kliknutím získate ďalšie informácie o účinkoch produktov

1. Úvod

Rakovinaje závažným problémom verejného zdravia, ktorý má malý počet účinných terapií, zlú prognózu a vysokú úmrtnosť [1]. Mnohé rakovinové bunky sa metabolicky prispôsobujú Warburgovmu efektu, ktorý zahŕňa zvýšenú absorpciu glukózy a živín a produkciu kyseliny mliečnej, dokonca aj za aeróbnych podmienok. [2] Presná znalosť epidemiológie rakoviny poskytuje základné informácie o možných príčinách a trendoch tohto ochorenia v populácii, čo umožňuje priaznivú intervenciu na identifikáciu účinných metód prevencie, monitorovania a diagnostiky. [3] Etiológiu nádorových ochorení ovplyvňujú dedičné a environmentálne faktory. Napríklad v rakovinových bunkách bola pozorovaná zmenená genetická informácia |4]. Z tohto dôvodu veľké množstvo štúdií charakterizovalo genómové zmeny pri rakovine od onkogénnych signálnych dráh tvoriacich bunky až po spektrum mutácií v rôznych podtypoch rakoviny[5]. Okrem toho v onkogénnych procesoch zápalové a imunitné dráhy korelujú s mnohými bunkovými a humorálnymi zložkami a majú spoločné signálne dráhy. V prípade zápalu spojeného s nádorovými ochoreniami sú procesy dlhé a závažné. [6] Je známe, že zápal a rakovina spolu súvisia dvoma spôsobmi: vnútornou cestou a vonkajšou cestou. Vonkajšia dráha sa aktivuje spustením onkologických procesov týmzápal. V prípade vnútornej dráhy somatické deficity a genetické mutácie aktivujú signálne dráhy a spôsobujú zvýšenie zápalovej odpovede [7]. Ďalším determinantom rakoviny je aktivácia imunitného systému, ktorá koreluje s mnohými metabolickými dráhami v rakovinových bunkách [8]. U onkologických pacientov sa denne uvoľňuje do obehu veľké množstvo buniek. Pre tvorbu metastáz rakovinové bunky opúšťajú primárne miesto, vstupujú do krvného obehu, sú vystavené tlaku krvných ciev, prispôsobujú sa sekundárnemu bunkovému prostrediu a interferujú s imunitnými bunkami 9]. Proliferáciu rakovinových buniek spôsobuje aj akumulácia foriem kyslíka, ktoré majú schopnosť deformovať makromolekuly a indukovať bunkovú smrť [10]. Reaktívne formy kyslíka a dusíka (ROS/RNS) sú produkované zápalovými bunkami a epitelovými bunkami. ROS/RNS spôsobujú pod tlakom zápalového procesu denaturáciu DNA v orgánoch a spôsobujú iniciáciu karcinogenézy. Poškodenie DNA, najmä 8-oxo-7,8-dihydro-2'-deoxyguanozínu a 8-nitroguanidínu, sa ukázalo ako molekulárny mechanizmus rakoviny[ 11]. Bunková apoptóza alebo programovaná bunková smrť je jednou zo základných metód regulácie karcinogenézy a je kontrakciou bunky, ktorá vyvoláva fragmentáciu DNA a kondenzáciu chromatínu [12,13]. Existujú dve základné apoptotické dráhy (smrť receptora a mitochondriálne dráhy). Mnohé štúdie identifikovali mnohé potenciálne ciele protinádorovej liečby [14]. Pôsobenie na tieto ciele má za cieľ zničiť alebo zastaviť rast rakovinových buniek [15]. Kaspázy, skupina cysteínových proteáz, ktoré degradujú bunkové proteíny, sú dôležitými cieľmi protirakovinovej terapie, pretože hrajú zásadnú úlohu v apoptickej signalizácii [16]. Dráha PI3K/AKT sa tiež považuje za jeden z kľúčových mechanizmov zapojených do migrácie buniek, invázie a prechodu cez pľúcny mezenchymálny epitel. Okrem toho je táto signálna dráha spojená s proliferáciou a metastázami pri karcinómoch obličkových buniek, apoptózou buniek pri karcinómoch hltanu a ovplyvňuje progresiu rakovinových buniek v dutine [17].

Racionálnym cieľom protinádorových terapií je pôsobiť na rakovinové bunky bez ovplyvňovania nenádorových bunkových zložiek alebo nádorového mikroprostredia [18]. Rakovinové bunky vytvorené z normálnych buniek sa ťažko liečia konvenčnými chemoterapeutickými činidlami selektívne. Tieto činidlá pôsobia rôznymi mechanizmami, ako je blokovanie bunkového cyklu v rôznych štádiách, indukcia apoptózy a zabránenie proliferácii rakovinových buniek a zasahovanie do metabolického preprogramovania [19]. Chemoterapia aj rádioterapia vyvolávajú deformáciu DNA a spôsobujú blokádu bunkového cyklu alebo bunkovú smrť. Nová generácia terapií rakoviny je však založená na zvyšovaní vnútorných účinkov nádorových buniek začlenením činidiel s jedinečným mechanizmom účinku alebo látok, ktoré majú známy vnútorný spôsob vytvárania rezistencie voči terapii [20].

Cytotoxické lieky sú klasifikované podľa mechanizmu účinku na alkylačné činidlá, ťažké kovy (platina), antimetabolity, cytotoxické antibiotiká a blokátory bunkového cyklu. Väčšina cytotoxických zlúčenín pôsobí na integritu DNA a bunkové delenie v rakovinových bunkách [21]. Klinické použitie platinových komplexov ako doplnku vprotirakovinové terapieje založená na ich schopnosti spôsobiť smrť nádorových buniek, keďže tieto zlúčeniny majú široké spektrum aktivít |22]. Príčinou neúčinnosti protirakovinových terapií sú metastázy, recidívy, heterogenita, rezistencia na chemoterapiu a ožarovanie a znížená kapacita imunitného systému. Všetky tieto terapeutické zlyhania možno vysvetliť charakteristikami rakovinových kmeňových buniek [23-25]. Mezenchymálne kmeňové bunky sú typom buniek bežne používaným v regeneratívnej medicíne. Je známe, že tieto bunky majú supresívne účinky na rakovinové bunky [26]. Hlavným limitujúcim faktorom pri liečbe onkologických pacientov je naďalej rezistencia na terapiu. Súčasné štandardné terapie (chirurgia, chemoterapia a rádioterapia) sú nedostatočné v dôsledku nepriaznivých a toxických účinkov, neznášanlivosti pacientov a nízkej miery dlhodobého prežitia [27-30]. Chirurgická terapia a radiačná terapia sú zamerané na eradikáciu lokalizovaných karcinómov a pokročilé štádiá ochorenia možno kontrolovať iba chemoterapiou [31]. V procese transportu biologicky aktívnej zlúčeniny môže jej difúzia produkovať nešpecifické interakcie, ktoré povedú k zníženiu účinnosti a nežiaducim reakciám [32]. Spomedzi protirakovinových terapií sú cielené terapie najúčinnejšie, pretože majú nízky počet vedľajších účinkov, dobrú životaschopnosť, podávajú sa nízke dávky a terapeutická rezistencia sa ťažšie inštaluje [33]. Napríklad nanomedicína sa úspešne používa ako vehikulum na cielený transport imunostimulačných činidiel na uľahčenie protinádorovej imunitnej odpovede. Na zníženie toxicity protirakovinovej imunoterapie sa skúmalo množstvo stratégií. Nanoformulácie antigénov, cytokínov, chemokínov, nukleotidov a agonistov Toll-like receptorov ukázali priaznivé výsledky [34]. V súčasnosti vzrastá záujem o identifikáciu nových alternatívnych terapeutických činidiel, ktoré sú účinnejšie a majú menej toxické účinky. Tento cieľ je náročné dosiahnuť vzhľadom na komplexnosť nádorových formácií [35]. Monoklonálne protilátky a chemoprevencia prírodnými zlúčeninami sú dva dôležité smery liečby a prevencie rakoviny [36]. Jednou zo základných stratégií v tomto smere je použitie biologicky aktívnych fytochemikálií, pretože majú nízku toxicitu a pleiotropné účinky v rôznych bunkových procesoch, ktoré interferujú so vznikom a progresiou rakoviny. Zasahovanie do karcinogenézy prostredníctvom stravy alebo suplementácie prírodnými zlúčeninami sa nazýva chemoprevencia [37-41]. Bolo identifikovaných viac ako 3000 rastlinných zlúčenín s protirakovinovými vlastnosťami [42]. Medzi týmito zlúčeninamiflavonoidymajú množstvo zástupcov s cytotoxickými vlastnosťami na mnohé typy ľudských rakovinových buniek a chýbajú alebo majú znížené nepriaznivé účinky na normálne bunky [43]. Flavonoidy sú polyfenolové zlúčeniny a predstavujú triedu biologicky aktívnych sekundárnych metabolitov v rastlinách so základnou štruktúrou difenylpropánu (C6-C3-C6) a ktoré majú nízku molekulovú hmotnosť. Sú biosyntetizované z fenylpropanoidu a chalkóny sú prvé flavonoidy, ktoré sa tvoria [44-51]. Spoločným prekurzorom flavonoidov je fenylalanín a syntetáza vápenatá, izomeráza vápenatá a hydrolázy flavanu 3 sa považujú za kľúčové enzýmy pre ich biosyntézu [52-56]. Pre mnohé flavonoidy tvorí mostík pyránový alebo byronický kruh [57]. V závislosti od základnej štruktúry sa tieto zlúčeniny delia na chalkóny, auróny, flavanóny, flavóny, izoflavóny, dihydroflavonoly, flavonoly, leukoantokvanidíny, antokyanidíny a flavan-3-oly (obrázok 1)[58-61].

Štrukturálna diverzita týchto zlúčenín je odvodená od kombinovaných účinkov enzýmov biosyntézy flavonoidov s rôznymi katalytickými a špecifickými funkciami [62]. Diétna konzumácia flavonoidov je spojená so zníženým rizikom chronických ochorení, ako sú kardiovaskulárne ochorenia, neurodegeneratívne ochorenia, astma, autoimunitné ochorenia a rakovina (najmä rakovina pľúc, prostaty, žalúdka a prsníka)[63-71]. Flavonoidy sú tiež známe tým, že majú mnoho bioaktivít, ako sú antialergické, protizápalové, antibakteriálne, antikarcinogénne, antioxidačné, antidiabetické, antihypertenzívne, imunomodulačné, hepatoprotektívne, antiobezitné, hormonálne (napr. estrogénom podobné aktivity) a vlastnosti proti starnutiu[72-85]. Existuje množstvo štúdií, ktoré dokazujú, že flavonoidy potláčajú rast nádorových buniek in vitro a in vivo [86]. Prirodzené zlúčeniny s malými molekulami v triede flavonoidov sa považujú za zlúčeniny s pozoruhodnými fyziologickými účinkami, s nemutagénnymi vlastnosťami v ľudskom tele a priťahujú rastúci záujem o identifikáciu nových protirakovinových látok. Protirakovinové mechanizmy flavonoidov zahŕňajú inhibíciu bunkového rastu a proliferácie blokovaním bunkového cyklu, indukciou apoptózy a diferenciácie alebo kombináciou týchto mechanizmov [87,88]. Epidemiologické štúdie navyše ukazujú, že prírodné flavonoidy majú silný antioxidačný potenciál spojený s nízkym výskytom rakoviny [89,90]. Antioxidačná aktivita flavonoidov je výsledkom ich schopnosti darovať atómy vodíka z hydroxyskupín voľným radikálom, čo je mechanizmus uľahčený rozšírenou konjugáciou elektrónov II z flavonoidov [91]. Je známe, že flavonoidy majú významnú antioxidačnú kapacitu na superoxidové anióny, hydroxylové radikály a peroxyradikály. Okrem toho sú flavonoidy účinnejšie ako kyselina askorbová pri neutralizácii voľných radikálov produkovaných oxidačným stresom [92]. V posledných rokoch bola rozpoznaná a skúmaná protirakovinová aktivita flavonoidov, najmä ich antimetastatické vlastnosti. Je indikovaný ich klinický potenciál v protinádorovej liečbe. Napríklad LFG-500(C30H32N2O5) je syntetický flavonoid s protizápalovými a protirakovinovými vlastnosťami. Táto zlúčenina má tiež antimetastatický potenciál 93]. Bioaktivita flavonoidov závisí od ich stupňa hydroxylácie, štruktúrnej triedy, povahy a polohy existujúcich substituentov, konjugácií a stupňa polymerizácie [94]. Mnoho dietetických flavonoidov je prítomných v glykozidickej forme, kde je sacharid naviazaný na fenolovú alebo hydroxylovú skupinu zlúčeniny [95,96]. Štruktúra sacharidov je určujúcim faktorom pre biologickú dostupnosť flavonoidov [97]. Flavonoidy sú v súčasnosti základnými zložkami rôznych farmaceutických, kozmetických a liečivých prípravkov [98,99]. Nízka toxicita týchto zlúčenín sa považuje za hlavnú výhodu tejto triedy[100]. V niektorých prípadoch je glykozylácia flavonoidov zodpovedná za zníženie toxických a nežiaducich účinkov týchto zlúčenín [101].

Chalkóny (13-difenyl-2-propen-1-jeden) sú jednou z najdôležitejších tried flavonoidových zlúčenín prítomných v ovocí, zelenine a čaji [102] a predstavujú biogenetické prekurzory flavonoidov a izoflavonoidov [103]. Sú to lipofilné fytochemikálie zložené z dvoch aromatických zvyškov (aldehydu a acetofenónu) spojených ,-nenasýteným karbonylovým systémom troch atómov uhlíka (obrázok 2)[102,104].

-nenasýtená karbonylová skupina je dobrým Michaelovým akceptorom a podieľa sa na nukleofilných adíciách [105]. Chalkóny sa nachádzajú v dvoch izomérnych formách (cis a trans), pričom transformácia je termodynamicky stabilnejšia a implicitne prevládajúca konfigurácia pre tieto zlúčeniny (obrázok 3) [106-108].

Dôležitosť týchto zlúčenín vyplýva z ich jednoduchej chémie, ľahkej syntézy a schopnosti nahradiť veľké množstvo atómov vodíka, čím sa vytvorí obrovské množstvo biologicky aktívnych derivátov [109]. Dôležitým aspektom súvisiacim s chalkónmi je možnosť týchto zlúčenín ľahko vytvárať väzby uhlík-uhlík, uhlík-síra a uhlík-dusík, ktoré sú prekurzormi pre syntézu rôznych heterocyklických zlúčenín, ako sú pyrimidíny, pyridíny, benzodiazepíny, pyrazoly, 2-pyrazolíny, imidazoly a všetky ostatné flavonoidy|110-114. Izomerizácia chalkónov na zodpovedajúce flavanóny v prítomnosti kyselín alebo zásad vysvetľuje dôležitosť týchto zlúčenín ako ligandov (obrázok 4)[115]. Napríklad Pandey a kol. získali 5-nitroflavanóny refluxovaním 2-hydroxychalkónov v prítomnosti koncentrovanej kyseliny sírovej [116].

Vďaka svojej flexibilnej štruktúre sa chalkóny môžu účinne viazať na mnohé enzýmy a receptory, čo vysvetľuje mnohé biologické aplikácie týchto zlúčenín [117]. Ďalším vysvetlením farmakologických aktivít týchto zlúčenín je konjugácia medzi dvojitou väzbou a karbonylovou skupinou prítomnou v štruktúre [118]. Bioaktivity chalkónov závisia od polohy, počtu a povahy substituentov na dvoch aromatických zvyškoch (aldehyde a acetofenóne). Údaje z literatúry ukazujú, že bolo identifikované veľké množstvo prírodných a syntetických chalkónov s klinickými a farmaceutickými aplikáciami, pričom tieto zlúčeniny majú protirakovinové, antibakteriálne, antivírusové, antipyretické, antihypertenzívne anti-Alzheimerove, protizápalové, anti-HIV, antioxidačné, protivredové, estrogénne a neuroprotektívne aktivity. Chalkóny majú schopnosť inhibovať -glukozidázu, MAO-B (monoaminooxidázu), tubulín a tyrozínkinázu [118-137]. Na druhej strane, chalkóny majú za určitých podmienok oxidačné vlastnosti. Tento účinok môže byť spojený s protinádorovou aktivitou týchto zlúčenín a je založený na mechanizmoch, ako je zvýšená tvorba superoxidu, deplécia bunkového glutatiónu a tvorba fenoxidových radikálov. Dostupné štúdie navyše preukázali cielenú aktivitu chalkónov na početné kinázy, mikrotubuly, proteíny rezistentné na polyterapiu a rôzne signálne dráhy spojené s prežitím a smrťou buniek (138). Zaujímavá štruktúra týchto zlúčenín a rôzne biologické aktivity viedli k schváleniu nových liekov z triedy chalkónov, ako je metochalcon (antikoleretikum) a sofalcon (antiulcerózny liek) (obrázok 5) [139,140].

Údaje z literatúry naznačujú, že nahradenie aromatických zvyškov chalkónov heterocyklami podmieňuje tvorbu molekúl so špeciálnymi biologickými vlastnosťami [141].

Hybridné molekuly majú schopnosť riešiť problém rezistencie na terapiu v dôsledku skutočnosti, že rôzne farmakofóry majú viacero mechanizmov účinku. Pretože hybridizácia molekúl je dôležitou metódou identifikácie nových terapeutických činidiel, v klinických štúdiách existuje množstvo hybridných molekúl [142]. Napríklad zavedenie atómu dusíka priaznivo modifikuje zásaditosť molekúl a určuje možnosť vytvorenia silných väzieb s cieľmi. Ďalšou dôležitou modifikovanou vlastnosťou je polarita, ktorá môže byť použitá na zníženie lipofilného charakteru, čo spôsobuje solubilizáciu vo vode a priaznivú orálnu absorpciu [143].

Bolo pozorované, že biologicky aktívne organické molekuly s dusíkom v molekulách majú dobré protirakovinové vlastnosti. Z molekúl s dusíkom majú morfolíny a piperidíny dôležité účinky na rôzne typy rakoviny (144). Yadav a kol. získali triazolové chalkóny s významným protirakovinovým potenciálom na ľudských bunkových líniách [145]. Príklady, kde je zavedenie farmakofóru priaznivé pre biologickú aktivitu zlúčenín, sú niektoré hydridové chalkóny so zvyškami chinazolínu, bifenidátu a indolu v molekulách. Novovytvorené molekuly majú schopnosť určiť reverzibilitu rezistencie na terapiu v prípade karcinómov prsníka [146]. Dusíkom substituované benzimidazolové chalkóny s alkylovým zvyškom alebo päť- alebo šesťčlenným heterocyklom majú tiež významné cytotoxické účinky na adenokarcinóm prsníka (MCF-7) a karcinóm vaječníkov (OVCAR-3). Ďalšie hydridové molekuly s cytotoxickou aktivitou nad štandardy na ľudských bunkových líniách (MCF-7, MA-PA-Ca2 ľudské rakovinové bunky pankreasu, A549 pľúcny adenokarcinóm, HepG2 ľudské rakovinové bunkové línie) sú 1,2,3-triazolové chalkóny. Hybridné tiazolové zlúčeniny indukujú apoptózu blokovaním G2/S fázy bunkového cyklu a znižovaním mitochondriálneho potenciálu na MIA-PA-Ca2 bunkových líniách pri rakovine pankreasu (147). Štúdie mechanizmov účinku 1,2A-triazolchalkónov ukazujú, že majú schopnosť indukovať apoptózu zvýšením hladín proteínu Bax, uvoľnením cytochrómu C z mitochondrií a aktiváciou kaspáz 3, 8 a 9 [148]. Účelom tohto článku je zhrnúť experimentálne a in silico získané informácie o protirakovinovej aktivite niektorých prírodných a syntetických chalkónov.

2. Claisen-Schmidtova reakcia

Najpoužívanejšou metódou na získanie syntetických chalkónov je Claisen-Schmidtova kondenzačná reakcia (obrázok 6). Ide o aldolizačno-kolonizačnú reakciu medzi derivátmi acetofenónu s aromatickými aldehydmi. Reakcia prebieha v silne kyslej alebo zásaditej katalýze za homogénnych podmienok [149-152].

Na získanie chalkónov je efektívnejšie použitie alkalického média [153]. Claisen-Schmidtova kondenzácia v zásaditom prostredí zahŕňa tvorbu acetofenónového aniónu, po ktorej nasleduje útok na karbonylovú skupinu acetofenónu [154]. Reakcia prebieha s výťažkami medzi 10 % a 60 % . Kondenzácia sa uskutočňuje pri 50 stupňoch, reakčný čas je 12-15 h alebo jeden týždeň pri teplote miestnosti [155]. Nevýhody tejto metódy sú nemožnosť regenerácie katalyzátora, tvorba sekundárnych zlúčenín, nedostatočná selektivita, dlhý reakčný čas, extrémne reakčné podmienky a ťažkosti s izoláciou produktov [156]. Na syntézu chalkónov s vysokou selektivitou boli identifikované nové typy heterogénnych katalyzátorov (Lewisove kyseliny, Bronstedove kyseliny, pevné kyseliny a pevné zásady). Použitie týchto katalyzátorov zabraňuje vedľajším reakciám, ako je Cannizarova kondenzačná reakcia alebo Michaelova adícia [157]. Okrem toho, aby sa predišlo neúmernej reakcii aldehydu, bol urobený pokus nahradiť ho benzylidéndiacetátom [155]. Ďalšími príkladmi reakcií na získanie chalkónov sú Heckova karbonylačná kondenzačná reakcia, Sonogashirova izomerizácia a kondenzačná reakcia, deuteračná reakcia s kontinuálnym tokom, Suzuki-Myaura kondenzačná reakcia a syntézna reakcia sprostredkovaná pevným kyslým katalyzátorom [158-160].

Kliknutím na odkaz získate časť 2:https://www.xjcistanche.com/news/part2-anticancer-activity-of-natural-and-synt-54977563.html

Kliknutím na odkaz získate časť 3:https://www.xjcistanche.com/news/part3-anticancer-activity-of-natural-and-synt-54978140.html