Polyamine-based anticancer strategies: the role of modified polyamines

Abstract

O cancro continua a ser uma das principais causas de morte em todo o mundo. O cancro de mama, em particular, é um dos que apresenta a maior taxa de incidência em mulheres. Desta forma, novas abordagens para o tratamento do cancro de mama baseadas no desenvolvimento de compostos anticancerígenos promissores que permitam uma eficiente melhoria na sobrevivência do paciente, são de extrema importância. No presente trabalho, várias poliaminas biogénicas modificadas e correspondentes complexos de platina (Pt(II)) e paládio (Pd(II)) foram estudados relativamente ao seu comportamento conformacional, através de espectroscopia vibracional (infravermelho e Raman). Uma vez que os complexos de Pt(II) e Pd(II) têm demonstrado uma boa actividade anticancerígena, um conhecimento rigoroso do perfil estrutural destes compostos é essencial para compreendermos a base molecular da sua atividade citotóxica. A geometria all-trans foi reconhecida como sendo a mais favorável para todas as poliaminas alquiladas, em condições totalmente protonadas. Po outro lado, os respetivos complexos polinucleares apresentaram uma geometria estável muito semelhante àquela previamente obtida para os quelatos análogos com espermidina e espermina, contendo duas ou três unidades análogas da cisplatina (MCl2(NH3)2). A atividade antineoplásica destes compostos in vitro foi avaliada em linhas celulares humanas de cancro de mama (JIMT-1, L56Br-C1, MCF-7 e MDA-MB-231), assim como numa linha imortalizada não-neoplásica (MCF-10A), como sistema modelo. As células MCF- 10A mostraram ser menos afetadas pelos compostos testados, no entanto uma inibição significativa do crescimento e uma indução de morte celular (por apoptose) foram detetadas em algumas das linhas cancerígenas estudadas. As células L56Br-C1 foram as mais sensíveis a este tipo de tratamento. A norespermidina (NSpd) e o seu complexo de Pd(II) apresentaram um efeito antiproliferativo mais forte relativamente ao análogo de Pt(II). Verificou-se ainda que estes compostos reduziam a atividade celular da enzima ornitina descarboxilase na maioria das linhas celulares analisadas, para doses inferiores relativamente às do complexo de Pt(II). Além disso, o tratamento com NSpd ou com Pd-NSpd diminuíram a formação de colónias, i.e. a malignidade das células de cancro de mama, com maior eficiência do que o homólogo de Pt(II). Nenhum destes compostos aparentou atuar como uma genotoxina (na concentração de 25 μM). Relativamente aos análogos da espermina, a paladinação do N1,N11- bis(etil)norespermina (BENSpm) levou a um aumento da citotoxicidade, em contraste com a platinação do N1-metilciclopropil-N11-etilnorespermina (CPENSpm) que reduziu a citotoxicidade, o que pode ser explicado por diferenças na entrada celular dos dois quelatos. O BENSpm e o Pd-BENSpm apresentaram um efeito redutor face à população de células estaminais cancerígenas CD44+CD24- (avaliada por citometria de fluxo). O Pd-BENSpm foi o composto mais eficiente de todos os investigados relativamente à indução de danos no ADN e redução na formação de colónias. O Pt-CPENSpm e o Pd-Spm, por sua vez, mostraram ser os compostos menos tóxicos de todos os testados. O Pd-Spm diminuiu eficientemente os níveis intracelulares de glutationa, o que provavelmente foi uma consequência da sua inativação metabólica por conjugação a este tiol endógeno. Os resultados obtidos mostram que os complexos polinucleares de poliaminas com Pd(II) possuem uma atividade anticancerígena mais elevada do que os seus homólogos de Pt(II), podendo assim serem considerados promissores agentes terapêuticos inorgânicos contra o cancro de mama, acoplando uma maior eficiência a uma toxicidade mais reduzida.

Worldwide, cancer is still one of the major leading causes of death. In particular, breast cancer is the one presenting the highest incidence rates in women. Therefore, new approaches for breast cancer treatment based on the development of promising anticancer agents that can efficiently improve patient survival are of utmost relevance. In the present work, several modified biogenic polyamines and their newly synthesised Pt(II) and Pd(II) complexes were studied regarding their conformational behaviour by vibrational spectroscopy (infrared and Raman). Since Pt(II) and Pd(II) complexes have shown good anticancer activity, an accurate knowledge of the structural profile of these compounds is essential for understanding the molecular basis of their cytotoxic activity. The all-trans geometry was found to be favoured for all the alkylated polyamines, in their totally protonated state. In the other hand, their polynuclear complexes presented a stable geometry very similar to that previously obtained for the analogous chelates with spermidine and spermine, comprising two or three cisplatin-like (MCl2(NH3)2) moieties. The in vitro cytotoxic activity of these compounds was then evaluated in established human breast cancer cell lines (JIMT-1, L56Br-C1, MCF-7 and MDA-MB-231) and in one normal-like immortalised breast cell line (MCF-10A) as model systems. The MCF-10A cells were found to be least affected by the tested compounds, while significant growth inhibition and apoptotic cell death was observed for some of the cancer cell lines, L56Br-C1 being the most sensitive to this type of treatment. Norspermidine (NSpd) and its Pd(II) complex were generally shown to have a stronger antiproliferative effect, as compared to its Pt(II) analogue. Also they were found to reduce the cellular activity of the growth-related enzyme ornithine decarboxylase to a lower level than the Pt(II) complex, in most of the cell lines examined. Moreover, treatment with NSpd or Pd- NSpd decreased colony formation, i.e. the malignancy of the breast cancer cells, to a much larger extent than the Pt(II) counterpart. None of these agents appeared to act as a genotoxin at a 25 μM concentration. Regarding the spermine analogues, palladination of N1,N11-bis(ethyl)norspermine (BENSpm) led to enhanced cytotoxicity, in contrast to platination of N1-cyclo-propylmethyl- N11-ethylnorspermine (CPENSpm), that reduced cytotoxicity, which may be explained by differences in the cellular uptake of the chelates. BENSpm and Pd-BENSpm treatment reduced the putative cancer stem cell population CD44+CD24- (evaluated by flow cytometry). Furthermore, Pd-BENSpm was the most efficient compound of those investigated regarding induction of DNA damage and decrease in colony formation. Pt-CPENSpm and Pd-Spm, in the other hand, were shown to be the least toxic compounds of all tested. Pd-Spm efficiently reduced the cellular glutathione levels, which probably was a consequence of its metabolic inactivation by conjugation to this endogenous thiol. Overall, the results show that the polynuclear Pd(II)-polyamine complexes display a stronger anticancer effect than their Pt(II) homologues, which renders them promising new metal-based therapeutic agents against breast cancer, coupling increased efficiency to a slightly lower toxicity.