Reações bio-ortogonais de clivagem de ligações C-O e C-C mediadas por paládio: expandindo as estratégias da biologia química para o tratamento do câncer

Abstract

A clivagem de ligações químicas mediada por metais de transição é uma abordagem promissora para ativação de pró-fármacos quimioterápicos em condições biológicas. O presente trabalho visou contribuir para o desenvolvimento das reações de clivagem bio-ortogonais mediadas por paládio. Este estudo compreende a investigação cinética e mecanística das reações de clivagem C-O e C-C mediadas por paládio e o desenvolvimento de novos pró-fármacos para o tratamento do câncer. Inicialmente, foram determinadas as cinéticas de clivagem da ligação C-O de cumarinas protegidas na forma de éteres propargílicos ou alenílicos mediadas pela adição complexos de Pd(II). As reações foram conduzidas em condições biologicamente relevantes e sob monitoramento cinético pela técnica de espectroscopia de UV-visível. Foi observado que o grupo alenílico é mais reativo que o grupo propargílico, sendo o grupo alenil mais indicado para aplicações biológicas. Para reações mediadas pelo complexo Pd2Allyl2Cl2 foi observado que a concentração de cloreto no meio reacional afeta a velocidade da clivagem. Considerando que a velocidade da reação de desalenilação aumenta com a diminuição da concentração de íons cloreto no meio, foi possível determinar que a espécie monomérica PdAllyl(H2O)2 é a mais ativa na reação, essa espécie está em equilíbrio com outras espécies contendo cloreto menos ativas. Extrapolando para condições biológicas, as reações de clivagem mediadas pelo complexo Pd2Allyl2Cl2 devem acontecer seletivamente no espaço intracelular, visto que o mesmo possui uma concentração inferior de cloreto, comparado ao meio extracelular. Através dos estudos cinéticos, experimentos de oxirredução/envenenamento e espectrometria de massas com ionização por electrospray, foi possível propor que o mecanismo da reação de O-desalenilação é mediada principalmente pela espécie PdAllyl(H2O)2, onde a etapa determinante da velocidade seria a hidratação do grupo aleno. A partir destes estudos foi sintetizado um novo pró-fármaco alenílico do fármaco antineoplásico Doxorrubicina. Para o estudo das novas reações de clivagem C-C da orto-quinona ß-Lapachona, foram sintetizadas novas a-hidroxicetonas contendo os grupos protetores propargílico e alílico. A ß-Lapachona é um produto natural anticancerígeno encontrado no Ipê Roxo (Handroanthus impetiginosus), árvore abundante em solo brasileiro. As novas reações de clivagem C-C foram otimizadas em condições biologicamente relevantes, através da técnica de cromatografia líquida acoplada à espectrometria de massas. Os resultados mostraram que o grupo propargílico é mais reativo frente à espécies de Pd(II). Também foi observado que a clivagem é mais efetiva por nanopartículas de iodeto de paládio(II). Através de cálculos computacionais foi possível propor um mecanismo mediado por Pd(II) para a nova reação de despropargilação, o qual segue através da hidratação da ligação tripla. A nova estratégia de ativação da ß-Lapachona foi avaliada em linhagens de células de câncer de mama e leucemia mielogênica aguda. Apesar da literatura descrever apenas clivagens de ligações C-N e C-O, é a primeira vez que é descrita a quebra de ligações C-C de grupos propargil ou alil mediada por metais de transição em meio biológico. A nova metodologia de clivagem C-C expande a possibilidade de ativação da ß-Lapachona de forma espacialmente controlada, diminuindo seus efeitos colaterais sistêmicos e ampliando sua aplicação no tratamento do câncer.

Abstract: Cleavage of chemical bonds mediated by transition metals is a promising approach for activation of chemotherapeutic prodrugs under biological conditions. The present work aimed to contribute to the development of palladium-mediated dissociative bio-orthogonal cleavage reactions. This study comprises the kinetic and mechanistic investigation of palladium-mediated C-O and C-C cleavage reactions and the development of new prodrugs for the treatment of cancer. Initially, the cleavage kinetics of the C-O bond of protected coumarins in the form of propargyl or allenyl ethers mediated by the addition of Pd(II) complexes were determined. The reactions were carried out under biologically relevant conditions and under kinetic monitoring by the UV/visible spectroscopy technique. It was observed that the allenyl group is more reactive than the propargyl group, being the allenyl group more suitable for biological applications. For reactions mediated by the Pd2Allyl2Cl2 complex, it was observed that the chloride concentration in the reaction medium affects the cleavage rate. Considering that the rate of the dealenylation reaction increases with the decrease of chloride ions concentration in the medium, it was possible to determine that the monomeric specie PdAllyl(H2O)2 is the more active in the reaction, this specie is in equilibrium with other less active species. Extrapolating to biological conditions, the cleavage reactions mediated by the Pd2Allyl2Cl2 complex must happen selectively in the intracellular space, since it has a lower concentration of chloride, compared to the extracellular medium. Through kinetic studies, redox/poisoning experiments and electrospray ionization mass spectrometry, it was possible propose that the mechanism of O-dealenylation reaction is mediated mainly by PdAllyl(H2O)2, where the rate-determining step would be the hydration of the allene group. From these studies a new allenyl prodrug of the anticancer drug Doxorubicin was synthesized. To study the new C-C cleavage reactions of the ortho-quinone ß-Lapachone, new a-hydroxyketones containing the propargyl and allylic protecting groups were synthesized. ß-Lapachona is an anticancer natural product found in Ipê Roxo (Handroanthus impetiginosus), a tree abundant in Brazilian soil. The new C-C cleavage reactions were optimized under physiologically relevant conditions, using liquid chromatography coupled to mass spectrometry. The results showed that the propargylic group is more reactive with Pd(II) species. It was also observed that cleavage is more effective by palladium (II) iodide nanoparticles. Through computational calculations it was possible to propose a mechanism mediated by Pd(II) for the new depropargylation reaction, which follows through hydration of the triple bond. The novel ß-Lapachone activation strategy was evaluated in breast cancer and acute myelogenous leukemia cells lines. Although the literature describes cleavages of C-N and C-O bonds, it is the first time that the cleavage of C- C bonds of propargyl or allyl groups mediated by transition metals in a biological environment are described. The new C-C cleavage methodology expands the possibility of activating ß-Lapachone in a spatially controlled manner, decreasing its systemic side effects and expanding its application in cancer treatment.