İşlevselleştirilmiş spirrosiklik heterosiklus sentezi ve sitotoksisite testi

Burada, daha önce sentezlenmiş spirosiklik oksimleri test etmek için 3-(4′,5′-dimetiltiazol-2′-il)-2,5- difeniltetrazolyum bromür (MTT) kullanan bir biyotahlil tarif ediyoruz.

Spirosiklik heterosiklusların son zamanlarda literatürde kanser tedavisi için potansiyel ilaçlar olduğu bildirilmiştir. Bu yeni ortogonal halka sistemlerinin sentezi zordur. Bu bileşikleri sentezlemek için yakın zamanda, katı faz sentezini daha önce bildirilen beş adım yerine dört adımda tanımlayan etkili bir metodoloji yayınlandı. Bu kısa sentezin avantajı, toksik reaktiflerin kullanımının ortadan kaldırılmasıdır. Düşük yüklemeli Rejenere Michael (REM) bağlayıcı bazlı reçinenin sentezde çok önemli olduğu bulunmuştur, çünkü yüksek yüklemeli versiyonlar hacimli fenil ve aromatik yan zincirler içeren reaktiflerin eklenmesini önlemiştir. Kolorimetrik 3-(4′,5′-dimetiltiazol-2′-il)-2,5- difeniltetrazolyum bromür (MTT) testi, bu yeni spirosiklik moleküllerin mikromolar konsantrasyonlarının in vitro sitotoksisitesini incelemek için kullanıldı. MTT ticari olarak kolayca temin edilebilir ve nispeten hızlı, güvenilir sonuçlar üretir, bu da bu testi bu spirosiklik heterosikluslar için ideal kılar. Ortogonal halka yapılarının yanı sıra furfurilamin (benzer 5 üyeli halka motifi içeren sentez yönteminde bir öncül) test edildi.

E3 ubikitin-ligaz faresinin çift dakika 2 homologunun (MDM2) p53 ile etkileşiminin küçük moleküllü inhibisyonu 1,2,3 tümör hücresi apoptozunun p53 aracılı indüksiyonunu geri kazandırdığı ^{bilinmektedir.} MDM2, p53 yolunun negatif bir düzenleyicisidir ve genellikle 4,5,6,7,8,9 kanser hücrelerinde aşırı eksprese edilir. Son kristalografik ve biyokimyasal çalışmalar, spirosiklik bir çerçeve içeren küçük moleküllerin MDM2-p53 etkileşimlerini etkili bir şekilde inhibe edebileceğini ortaya koymuştur¹⁰. Spirosiklik çerçeve (Şekil 1, mavi gölgeli), bu sert ortogonal halka sisteminin türevleştirilmesi yeni terapötik ilaçların keşfine yol açtığı için ayrıcalıklı bir motif olarak kabul edilir. Bu ilginç mimariye erişmek, geleneksel organik sentez tekniklerini kullanırken bir zorluk teşkil eder. Spirosiklik moleküllerin biyolojik sistemlerdeki terapötik etkileri araştırılmış olmasına rağmen, bu moleküllerin sentezi hala hantal bir süreçtir. İstenmeyen yan ürünler, zorlu koşullar ve tehlikeli geçiş metalleri genellikle sorunludur.

Spirosiklik motifin ilaç geliştirmede potansiyel kullanımı, diğer değiştirilebilir fonksiyonel gruplara ek olarak motifle birlikte bir molekül kütüphanesi oluşturmak için katı faz sentezini kullanan bir protokolün geliştirilmesine yol açmıştır^11,12. Ürünlerin ve reaktanların adımlar arasında ayrılması, bir reçine boncuğuna bağlı bir REM bağlayıcı ve katı fazlı bir filtre kabı kullanılarak sağlanabilir. Bu, adımları azaltacak ve potansiyel olarak verimi artıracaktır. Bu sentetik yaklaşım, çok çeşitli potansiyel ilaç adayları üretebilir. Bununla birlikte, bu moleküllerin biyolojik bir sistemdeki etkinliği daha fazla araştırma gerektirecektir.

Bu spirosiklik bileşiklerin sitotoksisitesini belirlemek için, MTT testi^13,14 kullanılmıştır. Bu yöntem hücre canlılığını ölçer ve dolaylı olarak hücre sitotoksisitesini belirlemek için kullanılabilir. 96 delikli bir plakadaki kültürlenmiş hücrelere inhibitörlerin farklı konsantrasyonları eklendi ve canlı hücrelerin oranı, sarı MTT'nin mitokondriyal dehidrogenazlar tarafından mor formazan bileşiğine indirgenme derecesinin kolorimetrik analizi ile ölçüldü (Şekil 2). Aktivite çoğunlukla bir IC 50 değeri olarak rapor edilir - hücre büyümesinin tedavi edilmemiş bir kontrole göre%₅₀ oranında inhibe edildiği konsantrasyon. Bu yazıda MTT testinin protokolü ve bu yeni spirosiklik moleküllerin ön sonuçları açıklanmaktadır.

NOT: Bu protokolde kullanılan çeşitli kimyasallar ve biyolojik reaktifler toksik ve kanserojendir. Kullanmadan önce ilgili malzeme güvenlik bilgi formlarına (MSDS) başvurun. Deneye başlamadan önce uygun kişisel koruyucu donanımları (İş Güvenliği ve Sağlığı İdaresi onaylı güvenlik gözlükleri, uygun eldivenler, laboratuvar önlükleri, tam boy pantolonlar ve kapalı ayak ayakkabıları) kullanın. Ek olarak, sentez yaparken ve toksik kimyasalları ve reaktifleri (duman davlumbazı) kullanırken uygun güvenlik uygulamalarını benimseyin.

1. Spirosiklik heterosiklusların katı faz sentezi 6 ve 7

NOT: Sentez daha önce yayınlanmış^11,12 çalışmasına dayanıyordu. Güncellenmiş protokol, trisiklik heterosiklusun tetrabütilamimonyum florür katalizörlü halka açıklığına ihtiyaç duyulmadığını ve böylece eliminasyonunun sentetik prosedürü kısalttığını ortaya koymaktadır.

1. REM bağlayıcıya furfurilamin ilavesini gerçekleştirin (süre: 25 dakika kurulum + 24 saat reaksiyon süresi).
   1. 25 mL'lik katı fazlı reaksiyon kabına 1 g (1 eşdeğeri [eşdeğeri]), 20 mL (20 eşdeğeri) dimetilformamid (DMF) ve 2.4 mL furfurilamin ekleyin. Reaksiyon kabını, reaksiyon başlatıldıktan sonra 24 saat boyunca oda sıcaklığında çalkalayın.
      NOT: Reçinenin kabın dibine oturmaması için iyice karıştırdığınızdan emin olun.
   2. Reaksiyon tamamlandıktan sonra reçineyi DMF 1x ile yıkayın. Ardından, diklorometan (DCM) ve metanol arasında değişen 4x yıkayın. Yıkamaları takiben reçineyi reaksiyon kabında iyice kurulayın.
2. Tandem Michael ekleme/1,3-dipolar sikloekleme gerçekleştirin (süre: 25 dk kurulum + 48 saat reaksiyon süresi).
   1. Kuru reçineye, reaksiyon kabına 1.48 mL (5 eşdeğer) trietilamin (TEA), 0.637 g (2 eşdeğer) nitro-olefin ve 10 mL kuru toluen ekleyin.
   2. Daha sonra, iyi havalandırılan bir duman davlumbazındaki reaksiyon kabına 1.085 mL (4 eşdeğer) trimetilsilil klorür (TMSCl) ekleyin.
      NOT: Bu reaksiyon HCl gazı ürettiğinden, gaz bir duman başlığı altında serbest bırakılana kadar reaksiyon kabını kapatmayın.
   3. Reaksiyon kabını güvenli bir şekilde kapatın ve oda sıcaklığında 48 saat boyunca çalkalayın.
      NOT: Reçinenin reaktiflerle iyice karıştırıldığından emin olun.
   4. Reaksiyonu söndürmek için 5 mL metanol kullanın.
   5. Çözeltiyi çıkarmak için kabı boşaltın ve ardından DCM ve metanol arasında geçiş yaparak 4x yıkayın. Yıkamaları takiben reçineyi reaksiyon kabında iyice kurulayın.
3. Kuaterner amini oluşturmak için reçineye bağlı heterosiklusun N-alkilasyonunu gerçekleştirin (süre: 10 dakika kurulum + 24 saat reaksiyon süresi).
   1. Reaksiyon kabındaki kuru reçineye, 5 mL DMF ve 10 eşdeğer alkil halojenür ekleyin ve 24 saat boyunca oda sıcaklığında çalkalayın.
      NOT: Reaktiflerin reçine ile iyice karıştırıldığından emin olun.
   2. Reaksiyon tamamlandıktan sonra reçineyi DMF 1x ile yıkayın. Ardından, 4x'i yıkamak için DCM ve metanolü dönüşümlü olarak kullanın. Yıkamaları takiben reçineyi reaksiyon kabında kurutun.
4. Polimer desteğinden ayrılmak için kuaterner aminin β eliminasyonunu gerçekleştirin (süre: 15 dakika kurulum + 24 saat reaksiyon süresi).
   1. Reaksiyon kabındaki kuru reçineye, heterosiklusu polimer desteğinden ayırmak için 3 mL DCM ve 1.49 mL (5 eşdeğer) TEA ekleyin.
   2. Reçinenin çözelti ile iyice karıştırılmasını sağlamak için reaksiyon karışımını 24 saat çalkalayın. DCM ve metanol arasında geçiş yaparak 4x yıkayın. Elüsyonu tüm yıkamalardan toplayın ve döner buharlaşma yoluyla konsantre olun.
   3. Spirosiklik oksimi saflaştırmak için metanol ile tritüre edin. Gelecekteki deneylerde tekrar kullanmak üzere yıkamaları takiben reçineyi reaksiyon kabında iyice kurulayın.

2. MTT ¹⁴ kullanarak sitotoksisite testi

1. Seyreltici olarak steril fosfat tamponlu salin (PBS, suda% 0.9 NaCl) kullanarak 20 mL'lik bir 5 mg / mL MTT çözeltisi hazırlayın. -20 °C'de filtreleyin ve saklayın. Ardından, MTT çözeltisinin serumsuz hücre kültürü ortamında (DMEM) adım 2.1'den 1: 1 seyreltilmesini hazırlayın.
2. Dimetil sülfoksit (DMSO) içinde 100 mM, 10 mM, 100 μM, 10 μM, 1 μM, 0,1 μM ve 0,01 μM'lik test bileşiklerinden oluşan 1,5 mL mikrosantrifüj tüplerinde her biri 1 mL stok çözeltisi hazırlayın. -20 °C'de saklayın. 1.5 mL tüplerde serum içermeyen ortamda 1:1000 stok konsantrasyonlarını seyrelterek test bileşiklerinin çalışma çözeltilerinin dozu başına 200 μL hazırlayın.
3. Doku kültürü başlığında, tohum COS-7 hücreleri (Afrika yeşil maymun böbrek hücreleri, Cercopithecus aethiops böbrek) tam ortamda [DMEM% 10 fetal sığır serumu (FBS)] çok kanallı bir pipetör kullanarak kuyu başına 4 × 10³ hücre / 200 μL konsantrasyonda düz tabanlı, doku kültürü ile muamele edilmiş 96 kuyucuklu plakalara yerleştirin. COS-7 hücreleri seçildi, çünkü (1) bunlar sitotoksisite tahlilleri için yaygın olarak kullanılan hücrelerdir ve (2) bunlar kurumda zaten mevcuttu.
4. COS-7 hücrelerini% 5 CO 2 içeren bir atmosferde 37 ° C'de_{24 saat boyunca inkübe edin}.
5. Bir vakum pompasına bağlı bir cam Pasteur pipet kullanarak süpernatantı kuyucuklardan aspire edin. Adım 2.2'de hazırlanan çalışma çözeltilerini kullanarak test bileşikleri ile üçlü olarak hücreleri dozlayın (Bkz. Tablo 1). Hücreleri adım 2.4'te açıklandığı gibi inkübe edin.
6. Süpernatantı kuyulardan aspire edin. Her bir kuyucuğa 200 μL MTT çözeltisi ekleyin. 4 saat boyunca% 5 CO₂ içeren bir atmosferde 37 ° C'de inkübe edin.
7. Mor formazan kristallerini rahatsız etmeden süpernatantı kuyucuklardan nazikçe aspire edin. Mor formazan kristallerini çözmek için her bir oyuğa 200 μL DMSO ekleyin. Oda sıcaklığında 15 dakika boyunca inkübe edin.
8. 96 delikli bir plaka okuyucu kullanarak her kuyu için 590 nm¹⁴ veya 600 nm'de emiciliği ölçün. Arka plan olarak hücresiz kuyular kullanın ve absorbans değerinin ortalamasını alın. Ortalama absorbans arka plan değerini, iyi muamele edilen her bir absorbans değerinden çıkarın. Verileri ortalama sıfır doz değerinin bir yüzdesi olarak normalleştirin (ortalama üç sıfır doz değeri). Y ekseni üzerindeki verileri grafiklendirin: doğrusal (% göreceli hücre canlılığı); x ekseni: log (konsantrasyon). Her seriyi ayrı bir eğri olarak çizin (örneğin, üçlü verilerin 3 eğrisi olmalıdır)

Spirosiklik oksim 6 ve 7, modifiye edilmiş bir protokol kullanılarak sentezlendi (Şekil 1). Michael'ın bir REM bağlayıcı 1b'ye furfurilamin ilavesi, polimere bağlı reçine 2'yi sağladı. Reaksiyonun ilerlemesi, α.β doymamış esterin 1722 ^cm-1'de kaybolduğunu tespit ederek kızılötesi (IR) spektroskopi ile izlendi (Şekil 3). Spirosiklik bağlı reçine 4, 2'den geçici bir ara 3 ile oluşturulmuştur. 4'ün metanolik hidrolizi 3-[(3E)-(2S, 4R)-2-fenil-3-hidroksimino 4-hidroksimetil-pirolidin-1-il]-propiyonik asit metil ester 7 üretirken, alkilasyon bunu β-eliminasyonu sağlar (3E)-(2S, 4R)-4-hidroksimetil-1-metil-2-fenil-3-piroridin oksim 6 üretir. Spirosiklik oksimlerin kimliği, 1 H ve ¹³C nükleer manyetik rezonans spektroskopik analizi ve önceki sonuçlarımıza dayanarak kütle spektroskopisi ile saflığı belirlendi¹¹.

MTT testi, hücre canlılığını belirlemek için iyi bilinen bir kolorimetrik testtir¹². Şekil 2'de görüldüğü gibi, canlı hücrelerde bulunan mitokondriyal redüktazlar, MTT'nin sarı tetrazolyumunu çözünmez mor formazan katılara dönüştürür. Bir spektrofotometre kullanılarak, formazan oluşumu 600 nm'deki absorbans ölçülerek ölçülür. Yüksek konsantrasyonlarda hücre ölümünü indüklediği bilinen Cisplatin, pozitif kontrol olarak kullanıldı (Şekil 4). Beklendiği gibi, sisplatin konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, hücre canlılığı o kadar düşük olur. Daha sonra, MTT testi, spirosiklik bileşikler 6 ve 7'yi ve furfurilamin'i test etmek için kullanıldı. Furfurilamin, furan halkasının spirosiklik çerçeveye kıyasla tek başına etkisini belirlemek için kullanıldı. Şekil 5'te gösterildiği gibi, furfurilamin ve spirosiklik oksim 6 benzer sitotoksisite göstermiştir. Bununla birlikte, spirosiklik bileşik 7'nin toksisitesi, furfurilamin ve 6'nınkinden belirgin şekilde daha büyüktü. Bu heterosiklusların sitotoksisitesini ve diğer antikanser etkilerini tam olarak araştırmak için bir spirosiklik oksim kütüphanesi sentezlenecektir.

Şekil 1: Güncellenmiş bir katı faz sentezi kullanılarak spirosiklik bileşiklerin yapımı. Ortogonal spirosiklik çerçeve mavi renkle gölgelenmiştir. Toksik reaktif TBAF'ı kullanmaktan kaçınan (c) adımının gerekli olmadığını unutmayın. Reaksiyon koşulları aşağıdaki gibidir: (a) furfurilamin, DMF, (b) β-nitrostiren, TMSCl, TEA, tolüen, (c) TBAF, (d) alkil halojenür, DMF ve (e) TEA, DCM. Kısaltmalar: TBAF = tetrabütilamonyum florür; DMF = dimetilformamid; TMSCl = trimetilsilil klorür; ÇAY = trietilamin; DCM = diklorometan; ISOC = intramoleküler silioksi olefin sikloekasyonu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: MTT testinin mekanizması. MTT'nin gözle görülür şekilde sarı tetrazolyum tuzu, mor çözünmez formazan oluşturmak için canlı COS-7 hücrelerinde mitokondriyal redüktazlar tarafından azaltılır. Kısaltma: MTT = 3-(4′,5′-dimetiltiazol-2′-il)-2,5- difeniltetrazolium bromür. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Her katı faz reaksiyonunun ilerlemesini kızılötesi spektroskopi ile adım adım izleme. 1717 ^cm-1'deki germe frekansı doymamış bir esterin varlığını, 1733 cm-1 doymuş bir esteri ve 3300-3500 ^cm-1 civarındaki sinyal bir hidroksil grubunun varlığını gösterdi. Polistiren için tespit edilebilir gerilme frekansları da gösterilmiştir. Kısaltmalar: REM = Regenerating Michael; ISOC = intramoleküler silioksi olefin sikloekasyonu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Modifiye MTT testinde sisplatinin COS-7 hücre canlılığı üzerine etkileri. Sisplatin konsantrasyonları 0 μM ila 60 μM arasında değişmektedir.

Şekil 5: Test bileşiklerinin modifiye edilmiş bir MTT testinde COS-7 hücre canlılığı üzerindeki etkileri. Konsantrasyonlar 0 μM ila 100 μM arasında değişiyordu ve bir kütük ölçeğinde çizildi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tablo 1: 96 delikli plakanın yerleşimi. Tüm test verileri satırları üçlü olarak yapıldı. Kontrol olarak sadece COS-7 hücreleri ve ortam içeren kuyular kullanıldı. DMSO'nun sisplatin dozlu hücrelerde sitotoksisitenin nedeni olmadığından emin olmak için, çözücü kontrolleri olarak sadece DMSO içeren kuyular kullanılmıştır. COS-7 hücreleri içeren kuyular vurgulanır. Kısaltmalar: DMSO = dimetilsülfoksit; PBS = fosfat tamponlu salin. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Spirosiklik bileşiklerin sentezi, bu laboratuvar tarafından yürütülen önceki araştırmalara dayanıyordu, ancak bazı modifikasyonlarla (Şekil 1)^11,12. Her reaksiyon adımının ilerlemesi IR spektroskopisi ile izlendi. Rem bağlayıcı 1'in furfurilamin ile Michael ilavesi, polimere bağlı 2'yi (IR 1722 cm-1 → 1731 ^cm-1) sağladı. Önceki rapordan, ISOC of 2, TMS grubunun (IR 1214 ^cm-1) tespiti ile doğrulandığı gibi, trisiklik heterosiklik bileşik 3'ü üretti. Bu, ISOC'nin ürünlerin gerekli regio- ve stereoseçiciliğini sağladığı için sentezin kritik bir adımıdır. TMS fonksiyonel grubunun frekansı yerine 3500 ^cm-1 hidroksil grubu germe sıklığı gözlendi. Bunun nedeni, trisiklik bileşiğin spirosiklik sisteme yol açan geçici bir ara madde olması olabilir.

Sentezi sınırlamak için farklı REM reçinesi türleri bulunmuştur. Yüksek yüklü polimer (1.00 mmol / g), hacimli R₂ yan zincirleri içeren spirosiklik bileşiklerin sentezini engelledi. Resin 4 ve 5'teki fonksiyonel gruplardaki benzerlikler nedeniyle, IR sonuçları sonuçsuz kalmıştır. Bu adımın başarısı ancak REM bağlayıcısını yeniden oluşturmaya çalışarak belirlenebilir (5 → 1). Rejenerasyon, hacimli bir R₂ grubunun eklendiği durumlarda gerçekleşmedi. Başarılı sentez için düşük yüklemeli reçineler (0,5 mmol / g veya daha düşük) önerilir. Bu sentez yöntemi literatürde açıklanan prosedürlerle tutarlıdır.

Ön test olarak, MTT kullanılarak sitotoksisite testi için bir protokol geliştirilmiştir. Birkaç deneme boyunca, kritik adımlar ve sınırlamalar keşfedildi. Sonuçların tüm kuyucuklarda normalleştirilmesi için, hücrelerin kuyucuklar boyunca eşit şekilde tohumlanması gerekiyordu, bu da tohumlamadan önce hücre konsantrasyonunun ölçülmesini gerektiriyordu. Tahlil, düz tabanlı kuyucuklara sahip plakalar gerektiriyordu, çünkü absorbans yuvarlak tabanlı kuyulardan doğru bir şekilde okunamıyordu. Ek olarak, inkübasyondan sonra kalan fazla MTT, çözünmeyen formazan'ı rahatsız etmeden okumalara müdahaleyi önlemek için çıkarılmalıdır.

Çözünmüş formazanın absorbansı 590 nm'de okunmalıdır. Bununla birlikte, laboratuvardaki mevcut enstrümantasyon, bunun yerine 600 nm'de okumalar yapılmasını gerektiriyordu. 0 ° C'de depolamanın, tahlilde kullanılan kimyasallar (sisplatin, spirosiklik moleküller, furfurilamin) için önemli olduğu bulunmuştur. DMSO - bilinen sitotoksisiteye sahip bir kimyasal - test bileşikleri için çözücü olarak kullanıldı ve tahlil için seyreltmeler yapmak için kullanıldı. MTT reaktifinin kendisinin hazırlanması gerekiyordu, çünkü çözünmeyen parçacıklar okumalara müdahale ettiğinden, çözülmesi ve filtrelenmesi gereken bir toz olarak depolandı.

Genel olarak, bu tahlil için sonuçların ön hazırlık olması amaçlanmıştır, çünkü sadece az sayıda molekül test edilmiştir. Bir molekül bataryası ile kapsamlı bir test planlanıyor ve tam bir el yazması gelecek. Ek olarak, sentez pirrol-2-karbaldehitten türetilen aminler için uygulanabilir. Bu durumda, spirosiklik pirrolidinler sentezlenebilir ve kanser hücre hatları üzerindeki sitotoksik etkiler için test edilebilir.

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Bu çalışma, Fakülte Araştırma Konseyi'nden K.S.H.'ye (Araştırma ve Hibeler Ofisi, Azusa Pacific University-ABD) verilen bir hibe ile finanse edilmiştir. A.N.G. ve J.F.M., Akademik Lisans Araştırma Deneyimi (SURE) Bursu'nun alıcılarıdır. S.K.M. ve B.M.R., STEM Araştırma Bursu Hibelerinin (Bilim Araştırma Merkezi, Azusa Pacific University-ABD) alıcılarıdır. Biyotahliller konusunda rehberlik için Dr. Matthew Berezuk ve Dr. Philip Cox'a minnettarız.