Σύμπλοκες ενώσεις Co(II), Ni(II) και Cu(II) με 4’-υποκατεστημένα φαιναμικά οξέα: σύνθεση, χαρακτηρισμός και μελέτη βιολογικής δράσης

Abstract

Within the framework of this doctoral dissertation, new carboxylic derivatives of anthranilic acids with privileged structures were synthesized and characterized, as well as their coordination compounds with the transition-metal ions Co(II), Cu(II), and Mn(II), including the synthesis, characterization, study of biological activity, and structure–activity relationship. The compounds were characterized using physicochemical and spectroscopic techniques. Crystal structures of the complexes were determined with single-crystal X-ray crystallography. The biological activity of the compounds toward DNA was investigated, focusing on the mode and strength of binding to calf-thymus (CT) DNA (studies with UV–vis spectroscopy, viscometry, and CT DNA melting temperature). In addition, their ability to displace the known DNA intercalator ethidium bromide (studies with fluorescence spectroscopy) was examined, as well as their capacity to act as photo-/chemical nucleases after incubation with double-stranded circular plasmid DNA, evaluating the photodegradation ability. In parallel, the binding constants of the compounds to serum proteins (BSA and HSA) were calculated, and the albumin sites in which the compounds show preferential binding were determined. Furthermore, the in vitro antioxidant capacity for scavenging free radicals and the antimicrobial activity of the compounds were evaluated against the Gram-positive (+) strains Staphylococcus epidermidis ATCC® 14990™, Staphylococcus aureus subsp. ATCC® 25923™, Staphylococcus aureus ATCC 29213 and Bacillus subtilis ATCC 6633, and the Gram-negative–(-) bacteria Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli Dh5α, Escherichia coli XL1, and Xanthomonas campestris ATCC 1395. Finally, molecular docking studies were performed against albumins, superoxide dismutase (SOD), KEAP1, cyclooxygenase-2, 5-lipoxygenase, DNA, and DNA-gyrase, to predict potential mechanisms of action. The results showed that the compounds bind to CT DNA via intercalation and exhibit noteworthy activity as photochemical nucleases. The compounds showed an ability for strong and reversible interaction with serum albumins, with identification of the binding sites of the compounds on the albumins, while they also have a high capacity to scavenge the ABTS radical and reduce H₂O₂. At the same time, the antimicrobial activity of the compounds was, in some cases, high, with some able to be characterized as bactericidal or bacteriostatic. Finally, the molecular docking studies indicated possible anti-inflammatory activity of the compounds and confirmed the results of the in vitro studies regarding interaction with DNA, albumins, and antioxidant activity. The new complexes constitute compounds with noteworthy biological activity, which depends on the nature of the respective ligand or nitrogen-donors, the metal center and its geometry. Possible applications of compounds include photodynamic therapy, and use as antioxidant, anti-inflammatory, and antimicrobial agents.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νέων 4’-υποκατεστημένων ανθραλινικών οξέων με προνομιακές δομές, καθώς και η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός, η μελέτη της βιολογικής δράσης και η συσχέτιση δομής και βιολογικής δράσης, των συμπλόκων ενώσεων των νέων οξέων με τα ιόντα μεταβατικών μετάλλων Co(II), Cu(II), Mn(II). Ο χαρακτηρισμός των ενώσεων πραγματοποιήθηκε με φυσικοχημικές (μετρήσεις μοριακής αγωγιμότητας) και φασματοσκοπικές τεχνικές (1Η-NMR, IR, UV-vis, MS, HRMS). Η επίλυση των κρυσταλλικών δομών έγινε με κρυσταλλογραφία ακτίνων–Χ. Διερευνήθηκε η βιολογική δραστικότητα των ενώσεων ως προς το DNA, εστιάζοντας στον τρόπο και την ισχύ με την οποία προσδένονται στο calf-thymus (CT) DNA (κινητικές μελέτες με φασματοσκοπία UV–vis, ιξωδομετρία, και θερμοκρασία μετουσίωσης CT DNA). Επιπρόσθετα, εξετάστηκε η δυνατότητά τους να εκτοπίζουν τον γνωστό παρεμβολέα του DNA, το αιθίδιο βρωμίδιο (κινητικές μελέτες με φασματοσκοπία φθορισμού), καθώς και η ικανότητά τους να δρουν ως φωτο-/χημικές νουκλεάσες μετά από επώαση με δίκλωνο κυκλικό πλασμιδιακό DNA, αξιολογώντας την ικανότητα φωτοδιάσπασης. Παράλληλα, υπολογίστηκαν οι σταθερές σύνδεσης των ενώσεων στις πρωτεΐνες ορού αίματος (BSA και ΗSA) και προσδιορίστηκαν οι υποτομείς της αλβουμίνης στους οποίους οι ενώσεις εμφανίζουν εκλεκτική πρόσδεση. Επιπλέον, αξιολογήθηκε in vitro η αντιοξειδωτική τους ικανότητα ως προς την εξουδετέρωση ελευθέρων ριζών και η αντιμικροβιακή δράση των ενώσεων ενάντια στα Gram–(+) στελέχη Staphylococcus epidermidis ATCC® 14990™ και Staphylococcus aureus subsp. aureus ATCC® 25923™, Staphylococcus aureus ATCC 29213, και Bacillus subtilis ATCC 6633, και τα Gram–(-) βακτήρια Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli Dh5α, Escherichia coli XL1 και Xanthomonas campestris ATCC 1395. Τέλος πραγματοποιήθηκαν μελέτες molecular docking έναντι των HSA, SOD, KEAP1, COX‑2, 5‑LOX, DNA και DNA-γυράσης, για την πρόβλεψη δυνητικών μηχανισμών δράσης. Τα αποτελέσματα των μελετών έδειξαν ότι οι ενώσεις συνδέονται στο CT DNA μέσω παρεμβολής ενώ εμφανίζουν αξιόλογη δράση ως φωτοχημικές νουκλεάσες. Οι ενώσεις παρουσίασαν ικανότητα ισχυρής και αντιστρεπτής αλληλεπίδρασης με τις αλβουμίνες ορού, με ταυτοποίηση των θέσεων πρόσδεσης των ενώσεων στις αλβουμίνες, ενώ παράλληλα έχουν υψηλή ικανότητα δέσμευσης της ρίζας ABTS και αναγωγής του H2O2. Παράλληλα, η αντιμικροβιακή δράση των ενώσεων σε ορισμένες περιπτώσεις ήταν υψηλή με ορισμένες να μπορούν να χαρακτηριστούν ως βακτηριοκτόνες ή βακτηριοστατικές. Τέλος, οι μελέτες molecular docking υπέδειξαν πιθανή αντιφλεγμονώδη δράση των ενώσεων και επιβεβαίωσαν τα αποτελέσματα τον in vitro μελετών όσον αφορά την αλληλεπίδραση με το DNA, αλβουμίνες ορού και την αντιοξειδωτική τους δράση. Τα νέα σύμπλοκα που συντέθηκαν συνιστούν ενώσεις με αξιόλογη βιολογική δράση η οποία εξαρτάται από τη φύση του εκάστοτε ligand, αζωτοδοτών, του μεταλλικού κέντρου και της γεωμετρίας γύρω από αυτό. Πιθανές εφαρμογές των ενώσεων συνίστανται στην φωτοδυναμική θεραπεία, χρήση ως αντιοξειδωτικοί, αντιφλεγμονώδεις και αντιμικροβιακοί παράγοντες.