Pentacyclic triterpenoids: Discovery of new drugs with antitumour activity

Abstract

Cancer is a major public health problem and, one of the leading causes of morbidity and mortality worldwide. Cancer treatments, including chemotherapy, are crucial to the clinical management of the disease. However, conventional cancer therapies often cause serious side effects and in the majority of advanced cases, offer only modest improvement in survival rates. Therefore, there is an urgent therapeutic need for the development of new active agents against cancer. Plants are a key source of pharmaceuticals and serve as the basis for numerous medicines, including anticancer agents. Pentacyclic triterpenoids are a group of promising secondary plant metabolites that, present a broad range of biological activity, including antitumour activity. They are often used in traditional medicine and are an important source of hits in drug discovery. Celastrol is one of the most active antitumour compounds among the natural triterpenoids. It has been reported to be highly active against a wide variety of tumours and to affect multiple cellular pathways. Considering its biological potential, some semisynthetic derivatives of celastrol have been previously prepared. These studies suggest that structural modification of celastrol may be important to improve its anticancer activity. In the present work, the design and synthesise of new semisynthetic derivatives of celastrol with improved selectivity and enhanced anticancer activity was intended. For that purpose, different synthetic strategies were exploited and new series of celastrol derivatives, including compounds bearing a urea and a carbamate group at C(29), were prepared and their anticancer activity was evaluated. The chemical structures and high purity of the new celastrol derivatives were corroborated by melting point determination, infrared spectroscopy, nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H NMR, 13C NMR and DEPT-135), mass spectrometry and elemental analysis. To determine their anticancer potential, the activity of all synthesised analogues over the viability of cancer cells was evaluated against several human tumour cell lines, including lung carcinoma (A549) and pancreatic carcinoma (MIA PaCa-2) cell lines, using the MTT assay. Furthermore, preliminary studies of the mechanism of action of the most promising derivatives were performed in ovarian carcinoma cells (SKOV-3) using techniques, such as flow cytometry, fluorescence microscopy and western blotting. Several of these new celastrol derivatives exhibited an improved growth-inhibition effect on human cancer cells compared with the parent compound, with IC50 values around or below 1 µM. Additionally, to assess selectivity, the best compounds of each series were further tested against a human non-tumour fibroblast cell line (BJ) and showed lower toxicity, which indicated a selective cytotoxic activity for malignant cells. Compound 3.21 — a quinonemethide urea derivative — and compound 4.11 — a dihydrocelastrol diacetate carbamate derivative — were the most promising synthesised compounds. Preliminary studies of the mechanism underlying their anticancer effect showed that both might induce apoptosis through the activation of the extrinsic death receptor pathway. Additionally, a synergistic anticancer effect was evidenced when SKOV-3 cells were simultaneously treated with compound 3.21 and cisplatin and a similar effect was observed when SKOV-3 cells were treated concomitantly with compound 4.11 and carboplatin. Taken together, these results provided a deeper understanding of the structure-activity relationship, chemical reactivity and stability of celastrol derivatives. Moreover, these results demonstrated the remarkable potential of celastrol derivatives, such as compounds 3.21 and 4.11, as promising leads for the development of new cancer therapies.

O cancro representa um importante problema de saúde pública, sendo uma das principais causas de morbilidade e mortalidade a nível mundial. Os tratamentos utilizados atualmente em clínica, incluindo a quimioterapia, são essenciais para o controlo clínico da doença. No entanto, os tratamentos antineoplásicos convencionais causam frequentemente efeitos secundários graves e, nas fases mais avançados do cancro, apenas aumentam ligeiramente a taxa de sobrevivência. Isto indica que há uma necessidade emergente de desenvolvimento terapêutico de novas substâncias ativas anticancerígenas mais eficazes e menos tóxicas. As plantas são uma fonte fundamental de produtos farmacêuticos, sendo a base de inúmeros fármacos, entre eles medicamentos de quimioterapia. Os triterpenóides pentacíclicos são um grupo promissor de metabolitos secundários das plantas e apresentam uma atividade biológica muito diversificada, entre elas a atividade antitumoral. Estes compostos são frequentemente utilizados na medicina tradicional e são uma fonte importante de novas moléculas para a indústria farmacêutica. O celastrol é dos compostos antitumorais mais activos entre os triterpenóides, demonstrando elevada atividade em diferentes tipo de tumores e afetando diversos mecanismos celulares. Considerando o seu elevado potencial biológico, foram realizados alguns estudos com derivados semissintéticos do mesmo, os quais sugeriram que modificações estruturais da molécula do celastrol poderiam ser vantajosas para otimizarem a sua atividade antitumoral. Assim, neste presente trabalho pretendeu-se preparar novos derivados semissintéticos do celastrol com melhor atividade antitumoral e melhor seletividade. Para tal, explorou-se diferentes estratégias sintéticas de forma a preparem-se novos painéis de derivados do celastrol, entre eles ureias e carbamatos na posição C(29). As estruturas químicas e elevada pureza dos novos derivados do celastrol foram confirmadas por determinação do ponto de fusão, espectroscopia de infravermelho, ressonância magnética nuclear (1H RMN and 13C RMN), espectrometria de massa e análise elemental. De forma a determinar-se o potencial anticancerígeno dos novos compostos, avaliou-se a sua atividade na viabilidade celular de várias linhas celulares tumorais humanas, tais como células do carcinoma de pulmão (A549) e do carcinoma de pâncreas (MIA PaCa-2), através de ensaios de MTT. Foram ainda feitos estudos preliminares do mecanismo de ação dos derivados mais promissores em células do carcinoma do ovário (SKOV-3), utilizando técnicas diversas, tais como, citometria de fluxo, microscopia de fluorescência e western blotting. Muitos dos novos derivados do celastrol apresentaram melhores efeitos de inibição do crescimento celular das células tumorais, comparativamente ao celastrol, apresentando valores de IC50 próximos ou inferiores a 1 µM. Os melhores compostos de cada painel foram também avaliados em relação à sua seletividade, utilizando células humanas não tumorais (fibroblastros BJ). Estes compostos revelaram ser menos tóxicos para este tipo de células, o que indica uma seletividade citotóxica para células malignas. O composto 3.21 — um derivado ureia quinonametídeo — e o composto 4.11 — um derivado carbamato diacetato dihidrocelastrol — demonstraram ser os mais promissores entre todos os compostos sintetizados. Os estudos preliminares do mecanismo de ação indicaram que ambos os compostos induzem a morte celular através da ativação da via extrínseca da apoptose. Demonstrou-se ainda uma sinergia antitumoral nas células SKOV-3 quando estas foram tratadas concomitantemente com o composto 3.21 e cisplatina, assim como quando tratadas com o composto 4.11 e carboplatina. Em conclusão, estes resultados permitiram obter uma compreensão mais detalhada da relação estrutura-atividade, reatividade química e estabilidade dos derivados do celastrol. Além disso, demonstrou-se o potencial notável dos derivados do celastrol, tais como os compostos 3.21 e 4.11, como moléculas promissoras para o desenvolvimento de terapias antineoplásicas.