Λογικός σχεδιασμός, σύνθεση και βιολογική αξιολόγηση "έξυπνων μοριακών συσκευών", θεραπευτικών και θεραπογνωστικών μορίων που ανιχνεύουν, στοχεύουν και θεραπεύουν τον καρκίνο

Abstract

One of the major health problems faced by developed countries is cancer. The complexity of the disease makes anticancer treatment and especially chemotherapy very difficult as the already existing drugs face significant disadvantages. In addition, the process of discovering new drugs is cost-effective and time-consuming, as a result of which the interest of the scientific community has turned to different approaches. Such is the synthesis of theragnostic molecules that combine the cytotoxic-therapeutic potential among with the diagnostic axis. Their design is based on molecular hybridization with the aim of overcoming the disadvantages of existing drugs as well as attributing new characteristics aiming at selective and effective administration selectively to cancer cells. Molecular hybridization is an idea in the design and development of drugs that relies on the combination of "pharmacophore" moieties of different bioactive compounds to produce a new hybrid compound with new abilities and improved efficacy compared to existing drugs. The design principles are based on the differentiated microenvironment of cancer cells and specifically of certain biomarkers, which can be targeted.Therefore, "smart molecular devices" have been developed that recognize these characteristics of cancer cells that lead to their differentiated environment and to which are responsive, allowing the selective administration of the therapeutic part, when it is observed through alteration of the fluorescent signal, indicatively fluorescent in the near infrared (NIR/SWIR) region, that it has reached the desired target, the cancer cell. The release was carried out after irradiation, at a wavelength and duration not destructive to human tissues (application of EU rules for the maximum permissible exposure (MPE), of a photodegradable ligand. The thepeutic affect was applied through the release of cytotoxic compounds as well as the production of reactive forms of oxygen (ROS) through photodynamic therapy (PDT). These compounds that produce ROS, were based on flavylium salts. These salts were modified accordingly to have absorption in near the NIR region, abilities to detect the cancerous microenvironment and to produce ROS selectively after irradiation. In this way, phototheragnostic compounds were developed that respond to cancer and by irradiation can release ROS through photodynamic therapy to annihilate it. At the same time, using the same core, dyes emitting in the NIR-II/SWIR range were developed, which have many advantages over traditional NIR dyes in terms of in-vivo optical imaging.Accordingly, innovative strategies were used and hybrid compounds based on NIR dyes were developed to design and discover novel “pharmacophores” and modify existing drugs. These compounds target the PI3K-AKT/mTOR signalling pathway, focusing on PI3K inhibition. PI3Ks are kinases that regulate signalling pathways and several cellular processes vital for cancer cells. The inhibitors developed having a combination of "pharmacophore" groups of known kinase inhibitors, both synthetic and natural products, giving in addition to inhibitory activity, fluorescence in the near-infrared region, useful for bioimaging. In particular, these compounds have the ability, after recognition/binding to the desired protein target, to alter their fluorescence signal. Following structure-activity relation studies, compounds were developed where they bind with greater selectivity to the PI3Ka isoform and were evaluated in in-vivo studies against colorectal cancer and triple-negative breast cancer. More specifically, they significantly reduced the size of tumors that were developed in xenografts mice from cancer cells DLD-1 and DLD-1 carrying the E545K PI3K mutation.

Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα υγείας που αντιμετωπίζουν οι ανεπτυγμένες χώρες είναι ο καρκίνος. Η πολυπλοκότητα της ασθένειας καθιστά πολύ δύσκολη την αντικαρκινική θεραπεία και κυρίως τη χημειοθεραπεία καθώς, τα ήδη υπάρχοντα φάρμακα αντιμετωπίζουν σημαντικά μειονεκτήματα. Επιπλέον η διαδικασία εύρεσης νέων φαρμάκων είναι κοστοβόρα και χρονοβόρα με αποτέλεσμα να έχει στραφεί το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας σε διαφορετικές προσεγγίσεις. Τέτοιες είναι η σύνθεση θεραπογνωστικών μορίων που συνδυάζουν σε ένα μόριο τον κυτταροτοξικό-θεραπευτικό παράγοντα και τον διαγνωστικό. Ο σχεδιασμός τους γίνεται βασιζόμενος στον μοριακό υβριδισμό με στόχο την υπερνίκηση μειονεκτημάτων υφιστάμενων μορίων καθώς και την πρόσδοση νέων χαρακτηριστικών στοχεύοντας στην εκλεκτική και αποτελεσματική χορήγηση αποκλειστικά στα καρκινικά κύτταρα. Ο μοριακός υβριδισμός αποτελεί μια ιδέα στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη φαρμάκων που βασίζεται στον συνδυασμό φαρμακοφόρων τμημάτων διαφορετικών βιοδραστικών ενώσεων για την παραγωγή μιας νέας υβριδικής ένωσης με νέες ιδιότητες και βελτιωμένη αποτελεσματικότητα σε σύγκριση με υπάρχοντα φάρμακα. Γνώμονας αποτελεί το διαφοροποιημένο μικροπεριβάλλον των καρκινικών κυττάρων και συγκεκριμένα ορισμένων βιοδεικτών, τους οποίους στοχεύουμε. Συνεπώς, αναπτύχθηκαν «έξυπνες μοριακές συσκευές» οι οποίες αναγνωρίζουν τα χαρακτηριστικά των καρκινικών κυττάρων που οδηγούν στο διαφοροποιημένο περιβάλλον τους και ανταποκρίνονται εκεί, επιτρέποντας την εκλεκτική απελευθέρωση του φαρμάκου όταν παρατηρηθεί, μέσω φθορίζουσας ότι έχει φθάσει στο επιθυμητό σημείο-στόχο. Η απελευθέρωση πραγματοποιήθηκε έπειτα από ακτινοβόληση, σε μήκος κύματος και διάρκεια ακτινοβόλησης μη καταστρεπτική για τους ανθρώπινους ιστούς (εφαρμογή κανόνων Ε.Ε. για τη μέγιστη επιτρεπόμενη έκθεση (MPE), κάποιου φωτοδιασπώμενου συνδέτη. Την θεραπευτική δράση διαδήλωσαν μετά απο ακτινοβόληση, η απελευθέρωση κυτταροτοξικών ενώσεων αλλά και η παραγωγή δραστικών μορφών οξυγόνου (ROS) μέσω φωτοδυναμικής θεραπείας (PDT). Οι ενώσεις που παράγουν ROS, βασίστηκαν σε άλατα φλαβυλίου. Τα άλατα αυτά τροποποιήθηκαν αναλόγως ώστε να έχουν απορρόφηση κοντά στην περιοχή του NIR, ικανότητες ανίχνευσης του καρκινικού μικροπεριβάλλοντος αλλά και παραγωγής ROS μετά από ακτινοβόληση. Με τον τρόπο αυτό αναπτύχθηκαν φώτοθεραπογνωστικές ενώσεις που ανταποκρίνονται στον καρκίνο και με ακτινοβόληση μπορούν να απελευθερώσουν ROS μέσω φωτοδυναμικής θεραπείας για την καταπολέμηση του. Ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας τον ίδιο σκελετό, αναπτύχθηκαν και χρωστικές που εκπέμπουν στην περιοχή NIR-II/SWIR, οι οποίες έχουν πολλά πλεονεκτήματα συγκριτικά με τις παραδοσιακές NIR χρωστικές αναφορικά με την in-vivo οπτική απεικόνιση. Παράλληλα, χρησιμοποιήθηκαν καινοτόμες στρατηγικές και αναπτυχθήκαν υβριδικές ενώσεις βασιζόμενες σε χρωστικές που εκπέμπουν στο εγγυς-υπέρυθρο (NIR) για το σχεδιασμό, την ανακάλυψη και τη τροποποίηση υπαρχόντων φαρμάκων. Οι ενώσεις αυτές έχουν σαν στόχο το μονοπάτι σηματοδότησης PI3K-AKT/mTOR, εστιάζοντας στην αναστολή των κινασών PI3Κ. Οι PI3Κ αποτελούν κινάσες οι οποίες ρυθμίζουν σημαντικά μονοπάτια σηματοδότησης πολλών κυτταρικών διεργασιών ζωτικής σημασίας για τα καρκινικά κύτταρα. Οι αναστολείς που αναπτύχθηκαν φέρουν ένα συνδυασμό φαρμακοφόρων ομάδων γνωστών αναστολέων των κινασών αυτών, τόσο συνθετικών όσο και φυσικών προϊόντων, προσδίδοντας εκτός από πλειοτροπική δράση και φθορισμό στη περιοχή του εγγύς υπέρυθρου με σκοπό τη βιοαπεικόνιση. Ειδικότερα, οι ενώσεις αυτές έχουν την ικανότητα, μετά από αναγνώριση-δέσμευση στον επιθυμητό πρωτεϊνικό στόχο, να μεταβάλλουν το σήμα φθορισμού τους. Έπειτα από μελέτες δομής-δράσης αναπτύχθηκαν ενώσεις όπου δεσμεύονται με μεγαλύτερη εκλεκτικότητα στην ισομορφή ΡΙ3Κα και αξιολογήθηκαν σε in-vivo μελέτες έναντι του καρκίνου του παχέος εντέρου και του τριπλά αρνητικού καρκίνου του μαστού. Πιο συγκεκριμένα μείωσαν σημαντικά το μέγεθος όγκων που είχαν αναπτυχθεί σε ξενομοσχεύματα ποντικών που φέρουν καρκίνους σε DLD-1 και DLD-1 που φέρουν τη μετάλλαξη Ε545Κ.